DE19855218C2 - Refraktometer - Google Patents
RefraktometerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer, das eine in einer Rahmenkonstruk
tion angeordnete Lichtquelle, ein in einer Prozesslösung anzubringendes optisches
Fenster, Mittel zum Bilden eines Strahlenbündels von der Lichtquelle zu einer Grenz
fläche des optischen Fensters und der Prozesslösung, wobei ein Teil des Strahlen
bündels teilweise in die Lösung absorbiert wird und ein Teil völlig von der Lösung re
flektiert wird, so dass ein Bild erzeugt wird, in dem die Lage der Grenze eines hellen
und eines dunklen Bereichs von der Brechzahl der Prozesslösung abhängig ist, sowie
einen Bilddetektor aufweist, mittels dessen das auf die obige Weise erzeugte Bild be
obachtet wird.
Ein solcher Refraktometer ist aus US 5 046 842, US 4 962 746 bzw. US 4 895 444
bekannt. Das Arbeitsprinzip des Refraktometers ist schon seit über hundert Jahren
bekannt. Zur Zeit werden Refraktometer ziemlich viel in mehreren verschiedenen Be
reichen verwendet. Als Beispiel von Verwendungsbereichen des Refraktometers kön
nen Lebensmittelindustrie, Holzindustrie, chemische Industrie und verschiedene Un
tersuchungen im Allgemeinen erwähnt werden.
Das Arbeitsprinzip des Refraktometers kann allgemein auf die fol
gende Weise beschrieben werden. Das Refraktometer mißt die Brechzahl der
Prozeßlösung mittels einer an der Grenzfläche des optischen Fensters und
der Lösung entstehenden Totalreflexion. Ein von der Lichtquelle kommendes
Strahlenbündel wird zur Grenzfläche des optischen Fensters und der Prozeß
lösung gesteuert. Ein Teil des Strahlenbündels wird völlig von der Lösung re
flektiert, ein Teil wird teilweise in die Lösung absorbiert. Daraus entsteht ein
Bild, in dem die Lage der Grenze eines hellen und eines dunklen Bereichs
vom Grenzwinkel für Totalreflexion und somit von der Brechzahl der Prozeßlö
sung abhängig ist.
Ein wesentlicher Umstand bei Refraktometermessung ist die Analy
sierung eines aus der Lichtreflexion entstehenden Bildes. Die Aufgabe der
obigen Bildanalyse ist es, den Grenzwinkel für Totalreflexion, d. h. die Grenze
zu finden, an der der helle Bereich des auf die obige Weise entstehenden Bil
des in den dunklen Bereich übergeht.
Wie aus den obigen Umständen hervorgeht, beruht die Funktion
des Refraktometers auf einer sehr präzisen Winkelmessung, weil der
Grenzwinkel für Totalreflexion nach der Brechzahl von zwei Substanzen be
stimmt wird. Ein Problem mit den bekannten Refraktometern besteht oft in
Winkeländerungen zwischen dem optischen Fenster und der Rahmenkon
struktion des Geräts, weil das optische Fenster oft mittels eines elastischen
Dichtungsmaterials an der Rahmenkonstruktion befestigt ist. Ist das optische
Fenster steif an der Rahmenkonstrukton befestigt, soll das Dichtungsmaterial
sehr elastisch sein, und demnach können gewisse schwach elastische Mate
rialien, wie Teflon, nicht verwendet werden. In mehreren bekannten Refrakto
metern sind die Optik und ein Lichtdetektor steif am Rahmen befestigt, wes
halb ein zweites Problem durch einen Winkelmessungsfehler infolge einer
Verwindung der Rahmenkonstruktion verursacht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer zustande zu bringen,
mittels dessen die Nachteile des vorbekannten Standes der Technik eliminiert werden
können. Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Refraktometer gelöst, das
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Lichtquelle, das optische Fenster, die Mittel zum
Bilden des Strahlenbündels und der Bilddetektor in einem steifen Analysatormodul
angeordnet sind und dass das Analysatormodul auf eine zwischen der Rahmenkon
struktion und dem optischen Fenster angeordnete, wesentlich unelastische Dichtung
gestützt schwebend in der Rahmenkonstruktion angeordnet ist, und zwar durch Pres
sen des Analysatormoduls mittels Federorganen gegen die Dichtung.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß eine fle
xible Befestigung des optischen Fensters infolge des schwebenden steifen
Analysatormoduls auch mittels einer schwach elastischen Dichtung möglich
ist, ohne daß die Winkelmeßpräzision darunter leidet. Das erfindungsgemäße
Refraktometer ist auch von seiner Konstruktion her einfach, weshalb die Inbe
triebnahme der Erfindung vorteilhaft sein wird. Das erfindungsgemäße Re
fraktometer ist außerdem sehr flexibel im Gebrauch, denn es kann auf viele
verschiedene Weisen zum Beispiel in ein Prozeßrohrsystem eingebaut wer
den.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele der beige
fügten Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschema des Arbeitsprinzips eines Refraktome
ters,
Fig. 2 eine prinzipielle Schnittansicht der Konstruktion einer Aus
führungsform eines erfindungsgemäßen Refraktometers und
Fig. 3 bis 5 Beispiele von verschiedenen Einbaumöglichkeiten
eines erfindungsgemäßen Refraktometers.
Fig. 1 stellt ein Prinzipschema des Arbeitsprinzips eines Refrak
tometers dar. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Lichtquelle und das Be
zugszeichen 2 ein optisches Fenster, das zum Beispiel ein Prisma sein kann.
Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Prozeßlösung.
Wie schon früher erwähnt wurde, mißt das Refraktometer die
Brechzahl der Prozeßlösung mittels der an der Grenzfläche des optischen
Fensters 2 und der Prozeßlösung 3 entstehenden Totalreflexion. Das Ar
beitsprinzip des Refraktometers stellt einem Fachmann den bekannten Stand
der Technik dar, weshalb diese Umstände hierbei nicht näher erläutert
werden. In diesem Zusammenhang wird nur das wesentliche Grundprinzip
beschrieben.
Ein von der Lichtquelle 1 kommendes Strahlenbündel wird zur
Grenzfläche des optischen Fensters 2 und der Prozeßlösung 3 gelenkt. In
Fig. 1 wird das Strahlenbündel mittels Pfeilen dargestellt. Ein Teil
des Strahlenbündels wird völlig von der Prozeßlösung 3 reflektiert, ein Teil
wird teilweise in die Lösung absorbiert. Daraus entsteht ein Bild K, in dem die
Lage der Grenze C eines hellen Bereichs A und eines dunklen Bereichs B
vom Grenzwinkel für Totalreflexion und somit von der Brechzahl der Prozeßlö
sung abhängig ist.
Die Funktion des Refraktometers beruht also auf einer sehr präzi
sen Winkelmessung, weil der Grenzwinkel für Totalreflexion nach der Brech
zahl von zwei Substanzen bestimmt wird. Wie oben schon festgestellt wurde,
besteht ein Problem mit den vorbekannten Refraktometern oft in Winkelände
rungen zwischen dem optischen Fenster und dem Geräterahmen, weil das
optische Fenster in mehreren Lösungen mittels eines elastischen Dichtungs
materials am Rahmen befestigt ist. Die Verwendung des elastischen Materials
als Dichtung hängt davon ab, daß wenn das optische Fenster steif am Rah
men befestigt ist, soll das Dichtungsmaterial sehr elastisch sein, und somit
können schwach elastische Materialien nicht verwendet werden. In mehreren
bekannten Refraktometern sind die Optik und ein Lichtdetektor steif am Rah
men befestigt, weshalb ein zweites Problem durch einen Winkelmessungs
fehler infolge einer Verwindung der Rahmenkonstruktion verursacht wird.
Man hat die Nachteile des obigen bekannten Standes der Technik
mittels des erfindungsgemäßen Refraktometers eliminieren können. Ein we
sentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Refraktometers ist, daß die Licht
quelle 1, das optische Fenster 2, die Mittel zum Bilden des Strahlenbündels
und der Bilddetektor 4 in einem steifen Analysatormodul 5 angeordnet sind.
Das optische Fenster kann zum Beispiel ein Prisma sein. Der Bilddetektor
kann zum Beispiel ein Reihen-CCD-Element sein. Das Analysatormodul 5 ist
auf eine zwischen der Rahmenkonstruktion und dem optischen Fenster 2 an
geordnete, wesentlich unelastische Dichtung gestützt schwebend in der Rah
menkonstruktion angeordnet. Die Dichtung kann zum Beispiel eine Kegel
dichtung sein oder sie kann beispielsweise eine kugelförmige Oberfläche bil
den usw. Weil das Analysatormodul 5 gegenüber der Rahmenkonstruktion
und der übrigen Mechanik des Geräts auf die Dichtung 6 gestützt schwebt,
haben äußere Kräfte, wie durch Strömung der Prozeßlösung veranlaßte Kräf
te, mechanische Spannungen im Rohrsystem, Wärmeausdehnung und Druck
keinen Einfluß auf die Meßpräzision. Dank des schwebenden Analysatormo
duls 5 können für die Dichtung 6 des Prismas auch schwach elastische Mate
rialien, wie Teflon, verwendet werden.
Das Analysatormodul 5 wird mittels Federorganen 7 gegen die
Dichtung 6 gepreßt, wobei die Preßkraft bei allen Temperaturen konstant ist.
Demnach kompensieren die Federorgane 7 zusammen mit dem schwebenden
Analysatormodul 5 die schwache Elastizität gewisser Dichtungsmaterialien.
Die Federorgane 7 sind so installiert, daß keine Prozeßwärme durch sie ins
Analysatormodul 5 fließt.
Das schwebende Analysatormodul 5 steht in Kontakt mit der Pro
zeßlösung 3 und einer Spitze 8a der Rahmenkonstruktion, d. h. mit dem Teil
der Rahmenkonstruktion, der nur durch das optische Fenster 2 mit dem Pro
zeß in Berührung ist. Die Kontaktfläche an dem Prozeß und der Spitze der
Rahmenkonstruktion ist minimiert, um Wärmeleitung zu verhindern. Zwischen
dem optischen Fenster 2 und der Spitze befindet sich die Dichtung 6. Die
Kontaktfläche soll kleine Winkeländerungen zwischen der Achse des Analy
satormoduls und den Achsen der Spitze ermöglichen. Wie oben erwähnt wur
de, kann die Kontaktfläche der Dichtung beispielsweise kegelförmig oder ku
gelig sein. Dank des schwebenden Analysatormoduls 5 ist es auch leicht, das
Gerät herzustellen und zu warten. Der Analysator kann schon vor dem eigent
lichen Anschluß an die übrige Mechanik geprüft werden.
In Prozeßmeßgeräten muß der Wärmeübergang vom Prozeß in die
Elektronik und in andere wärmeempfindliche Komponenten minimiert werden,
und anderseits muß die Kühlung dieser Teile maximiert werden. Eine präzise
Gehaltsmessung setzt auch eine präzise und schnelle Temperaturmessung
der Prozeßlösung voraus. Im erfindungsgemäßen Refraktometer geht die
Wärme sowohl über die Rahmenkonstruktion als auch über das Analysator
modul zur Elektronik über. Die Wärmeleitung über die Rahmenkonstruktion
wird dadurch verhindert, daß die Wandstärke der Spitze 8a dünner gemacht
wird und eine Wärmeisolierung 9 zwischen der Spitze 8a und der übrigen
Rahmenkonstruktion, zum Beispiel einem Deckelteil 8b, angeordnet wird. Ein
geeignetes Material für die Wärmeisolierung 9 ist zum Beispiel Teflon.
Wärme kann nur über das optische Fenster 2 und die Dichtung 6
ins Analysatormodul 5 geleitet werden. Durch die Wände der Spitze 8a kommt
Strahlungswärme. Der Wärmeübergang durch das Analysatormodul 5 zur
Elektronik wird mittels eines separaten steifen Isolierteils 10 verhindert, der
einen Teil des Analysatormoduls bildet. Der Isolierteil 10 soll steif sein, wes
halb zum Beispiel gewisse keramische Werkstoffe geeignete Isolierungen
sind.
Die durch den Isolierteil 10 des Analysatormoduls 5 dringende
Wärme wird mittels eines flexiblen, zum Beispiel plattenförmigen Wärmeleiters
11 effektiv zur Rahmenkonstruktion geleitet. Der zwischen dem Analysator
modul 5 und der Rahmenkonstruktion anzubringende Wärmeleiter 11 besteht
aus einem sehr wärmeleitfähigen Material, zum Beispiel aus Kupfer oder Alu
minium, und seine Konstruktion läßt eine achsiale Bewegung des Analysator
moduls 5 zu. Die Wärme wird von der Rahmenkonstruktion zur Umgebung des
Geräts mittels einer großen Außenfläche der Rahmenkonstruktion geleitet. Die
Außenfläche der Rahmenkonstruktion kann zum Beispiel mittels einer geeig
neten Rippung des Deckelteils 8b vergrößert werden, wie die Figuren zeigen.
Beim erfindungsgemäßen Refraktometer kann die Temperaturmes
sung der Prozeßlösung auf eine besonders vorteilhafte Weise durchgeführt
werden. Die Temperatur der Prozeßlösung wird mittels eines elektrischen
Temperaturfühlers 12 gemessen. Der Wärmekontakt des Temperaturfühlers
12 ist in der Richtung der Spitze 8a maximiert und in der Richtung der übrigen
Mechanik minimiert. Der Temperaturfühler 12 ist mit einem geeigneten Iso
liermaterial, zum Beispiel Teflon, vom Analysatormodul 5 isoliert. Auf die Ge
schwindigkeit der Temperaturmessung wirkt, außer der Masse des Fühlers,
auch die Masse der Spitze 8a ein. Um eine ausreichend schnelle Tempera
turmessung zustandezubringen, kann die Masse der Spitze in zwei verschie
dene Teile eingeteilt werden. Der Temperaturfühler steht in direktem Kontakt
mit dem leichteren Teil. Die Wärmeleitung zwischen dem kleinen und dem
großen Teil kann dadurch reduziert werden, daß die Wand dünner gemacht
wird, ohne die mechanische Preßsteife der Spitze abzuschwächen.
Das erfindungsgemäße Refraktometer wird normalerweise in die
Hauptströmung eingebaut, d. h. es ist ein sog. In-line-Meßgerät. Wegen der
optischen Meßmethode soll das optische Fenster rein bleiben. Was Reinblei
ben betrifft, ist die Einbaustelle des Geräts wichtig. In Rohrsystemen mit einer
relativ großen Strömungsgeschwindigkeit bleiben die Biegungen des
Rohrsystems rein. Somit ist es vorteilhaft, gerade eine Rohrbiegung zur Ein
baustelle des erfindungsgemäßen Geräts zu wählen. Ist die Rohrgröße klein,
kann ein besonderes Strömungsgefäß 13 verwendet werden, das an die Stelle
einer Standardbiegung des Rohres installiert wird. Fig. 3 stellt ein solches
Strömungsgefäß dar. Das Strömungsgefäß besteht aus einem Halbkugel,
dessen Mittelpunkt das optische Fenster des Meßgeräts ist. Ein- und Austritts
rohre 14, 15 des Strömungsgefäßes sind auf den Mittelpunkt des Halbkugels
gerichtet und bilden einen Winkel von 90 Grad miteinander. Will man die durch
Strömung veranlaßte Reinigungswirkung steigern, kann das Eintrittsrohr 14
etwas verengt werden, wie das Beispiel der Fig. 3 zeigt. Das Strömungsge
fäß ist selbstentleerend, wenn es in die Position der Fig. 3 aufgestellt wird.
Was die Strömungstechnik betrifft, ist es leicht, das Ein- und Austrittsrohr an
den Halbkugel anzuschließen, weil die Kontaktfläche des Kugels und des Zy
linders ein Kreis ist.
Das erfindungsgemäße Refraktometer kann auf die Weise nach
Fig. 4 in größere Rohre an eine Rohrbiegung 16 eingebaut werden. Das erfin
dungsgemäße Refraktometer kann natürlich auch direkt in ein Rohr 17 einge
baut werden, wie Fig. 5 zeigt. Die Strömungsrichtungen der Prozeßlösung
sind mittels Pfeilen in den Fig. 3-5 bezeichnet.
Claims (5)
1. Refraktometer, das eine in einer Rahmenkonstruktion angeordnete Lichtquelle (1), ein in
einer Prozesslösung (3) anzubringendes optisches Fenster (2), Mittel zum Bilden eines
Strahlenbündels von der Lichtquelle zu einer Grenzfläche des optischen Fensters (2) und
der Prozesslösung (3), wobei ein Teil des Strahlenbündels teilweise in die Lösung (3) ab
sorbiert wird und ein Teil völlig von der Lösung (3) reflektiert wird, so dass ein Bild (K) er
zeugt wird, in dem die Lage der Grenze (C) eines hellen (A) und eines dunklen Bereichs (B)
von der Brechzahl der Prozesslösung (3) abhängig ist, sowie einen Bilddetektor (4) auf
weist, mittels dessen das auf die obige Weise erzeugte Bild (K) beobachtet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (1), das optische Fenster (2), die Mittel zum Bilden des Strahlenbündels und
der Bilddetektor (4) in einem steifen Analysatormodul (5) angeordnet sind und dass das
Analysatormodul (5) auf eine zwischen der Rahmenkonstruktion und dem optischen Fen
ster (2) angeordnete, wesentlich unelastische Dichtung (6) gestützt schwebend in der
Rahmenkonstruktion angeordnet ist, und zwar durch Pressen des Analysatormoduls (5) mit
tels Federorganen (7) gegen die Dichtung (6).
2. Refraktometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rahmenkonstruktion aus einer Spitze (8a) und einem
Deckelteil (8b) gebildet ist und daß zwischen der Spitze (8a) und dem Dec
kelteil (8b) eine Wärmeisolierung (9) angeordnet ist.
3. Refraktometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein steifer, Wärmeleitung verhindernder Isolierteil (10) im
Analysatormodul (5) angeordnet ist.
4. Refraktometer nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Wärmeleiter (11) zwischen dem Analysatormo
dul (5) und dem Deckelteil (8b) angeordnet ist.
5. Refraktometer nach Patentanspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wärmeleiter (11) ein in der Achsenrichtung des Analy
satormoduls (5) flexibler Teil ist.
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