Die Erfindung betrifft eine Refraktometeranordnung.

Refraktometer dienen zur Messung der Brechzahl von flüssigen und festen Medien. Hier wird meistens die Methode der Messung des kritischen Winkels der Totalreflexion eingesetzt, da sie sich als die stabilste und einfachste Methode erwiesen hat.

Man erkennt, dass das Licht aus einem höherbrechenden Medium auf die Grenzfläche zum nächsten Medium gleichzeitig unter verschiedene Winkel fällt. Die sogenannten Snell'schen Gesetze beschreiben nun, für welche Einfallswinkel eine Brechung in das neue Medium stattfindet oder Totalreflexion des Lichtes stattfindet. Hat das Medium oberhalb eine geringere Brechzahl, kann unter bestimmten Winkeln eine Totalreflexion auftreten. Dieser Winkel zeichnet sich als eine sehr scharfe Grenze aus, welches dann zu einer sehr empfindlichen Mess-Methode führt.

Diese und noch komplexere Versionen des Messprismas sind Stand der Technik, je nachdem wie sich die Messaufgabe darstellt. In einem Laborgerät könnte sich die dargestellte Prismenart als ausreichend herausstellen. Bei einem Prozessrefraktometer muss der Lichtweg unter Umständen aufgrund von Platzmangel und erhöhten Umgebungsanforderungen (Druck, Temperatur) mehrfach gefaltet werden, was zu einem noch komplizierteren „Dachprisma" führen kann. Somit steigt die Anzahl der polierten optischen Oberflächen bis auf vier. Jede zusätzlich notwendige, polierte optische Fläche erhöht selbstverständlich die Kosten der Herstellung deutlich.

Unabhängig davon ist es bekannt, dass Flüssigkeit führende Systeme, wie Leitungen oder auch daran angeschlossene Aggregate, häufig Flüssigkeiten enthalten, die als gefährlich einzustufen sind. Gefährlich bedeutet dabei beispielsweise, dass die Flüssigkeiten giftig oder auch feuergefährlich sind.

Bei derartigen Systemen können Leckagen grundsätzlich nicht ausgeschlossen werden.

Aus Sicherheitsgründen werden daher oft den Leitungssystemen oder Aggregaten Auffangeinrichtungen für etwaige Leckageflüssigkeiten zugeordnet. Da die Flüssigkeit, die sich darin ansammelt, auch abgeführt werden muss, ist es notwendig, vorher festzustellen, welche Eigenschaften die Flüssigkeit hat, also ob sie unter die obige Gefahreneinstufung fällt.

Im Zuge fortschreitender Automatisierungen sollte es daher auch möglich sein, die Erkennung der Art der Flüssigkeit und deren Einstufung auch ständig automatisch vornehmen zu können.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Messprisma so weit zu vereinfachen wie möglich und trotzdem die Messaufgabe ohne wesentliche Einschränkungen zu lösen und außerdem die Einsatzmöglichkeiten oder Anwendungsbereiche zu erweitern.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Refraktometeranordnung zur Bestimmung von Flüssigkeiten, insbesondere unterschiedlichen Flüssigkeiten in Flüssigkeit führenden Leitungssystemen, umfassend eine Lichtquelle, eine lichtempfindliche Photodioden-Zeile und eine optische Platte, wobei die Lichtquelle und die Photodioden-Zeile in einer Ebene an der Unterseite der optischen Platte angeordnet sind, während die Oberseite der optischen Platte der zu untersuchenden Flüssigkeit als Kontaktfläche dient, wobei die optische Platte in oder an der Innenwand eines Abschnittes des Leitungssystems angeordnet ist, und zwar parallel zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit und wobei unterhalb und oberhalb der optischen Platte in dem Leitungsabschnitt je ein Füllstandssensor angeordnet ist, mit dem die Bedeckung der optischen Platte durch die den Leitungsabschnitt durchströmende Flüssigkeit erkennbar ist (Abbildung 2).

Vorzugsweise ist in dem Leitungsabschnitt stromabwärts von der optischen Platte eine den Durchfluss der Flüssigkeit durch das Leitungssystem sperrende Einrichtung vorgesehen, wobei die Betätigung der Sperreinrichtung in Abhängigkeit von der Art der durch die Refraktometeranordnung bestimmten Flüssigkeit erfolgt.

Dazu wird vorgeschlagen, dass sie eine elektronische Steuerung umfasst, die anhand des gemessenen Brechungsindex eine Unterscheidung von Flüssigkeiten mit der Maßgabe vornimmt, dass die Sperreinrichtung auf Grund von von der Refraktometeranordnung erkannten und als giftig oder gefährlich eingestuften Flüssigkeiten durch die Steuerung auslösbar ist.

Zusätzlich kann die Refraktometeranordnung eine kapazitive Messvorrichtung an der Oberfläche der optischen Platte enthalten, welche als Sekundär-Sensor die darauf befindliche Substanz weiter analysiert, wie die kapazitive Einkopplung des Mediums zur Unterscheidung vom Aggregatzustand des zu messenden Mediums und Sauberkeit der optischen Platte.

Es kann sich auch eine relative kapazitive Messvorrichtung an der Oberfläche der optischen Platte befinden, die aufgrund ihrer relativen Bezugsgröße während einer Messung die Sauberkeit der optischen Platte im Medium analysieren kann.

Besonders anwendungsfreundlich ist die Refraktometeranordung dann, wenn sie als Gesamtsystem, also als Modul ausgebildet ist, das als Einheit austauschbar ist.

Die Erfindung soll nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass das „Prisma" nunmehr aus einer einfachen optisch transparenten Platte 3 besteht. Auf dessen Unterseite sind die Lichtquelle 1 und die zur Feststellung der Hell-Dunkel-Kante eingesetzten CCD-Zeile 6 vorgesehen, wobei diese mittels eines geeigneten Materials 2 optisch angekoppelt sind. Dabei können auf Grund dieser Anordnung auch größere Toleranzen der Lichteinkopplung in Kauf genommen werden, als es bisher der Fall war. Es wird ebenfalls ein Temperatursensor angebracht.

Auf diese Weise wird ein funktionierender Refraktometer- Aufbau realisiert, welcher die durch die Anwesenheit einer Flüssigkeits- oder Festkörperprobe 4 erzeugte Totalreflexionsstörung zu messen erlaubt. Bei dieser Anordnung wird im Gegensatz zum Einsatz eines Prismas auf mindestens zwei optische Reflexionsflächen verzichtet.

Die optische Platte 3 kann - entsprechend der Aufgabenstellung - aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden: bspw. Glas, Saphir, Polymer, Glaskeramik, YAG, ...

Der Brechzahl-Messbereich lässt sich gemäß der Erfindung über die Dicke der optischen Platte, deren Brechzahl und den Abstand zwischen Lichtquelle und der CCD-Zeile einstellen.

Die Anbindung der Lichtquelle und der Photodiodenzeile kann mittels eines optischen Ankopplungsmediums 2 oder - nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung - über eine Mikrostrukturierung auf der Unterseite der optischen Platte erfolgen. Diese Mikrostruktur kann bspw. als Mikro-Prismen oder als holographisches Gitter ausgebildet werden. Die Figur 2 zeigt schematisch den Messablauf a) bis f).

In dem Leitungsabschnitt 9 ist die modulare Einheit 10 angeordnet. Diese umfasst die Refraktometeranordung 3 und eine Füllstandsensorik 7, die zum Beispiel oberhalb bzw. unterhalb der Refraktometeranordnung vorgesehen sind.

In dem Leitungsabschnitt 9 ist eine Sperreinrichtung 8 angedeutet. Figur a) zeigt den Beginn der Anstauung von Flüssigkeit, und zwar fortschreitend dann in b) und c).

Melden die Flüssigkeitssensoren, dass die komplette Refraktometeranordnung bedeckt ist, kann eine Messung des Brechungsindex der Flüssigkeit 4 erfolgen. Wird als Ergebnis der Messung von der nicht dargestellten Auswerteeinheit erkannt, dass die Flüssigkeit„harmlos" ist, wird die Sperreinrichtung freigegeben und die Flüssigkeit kann ablaufen d).

Die Figur e) zeigt, dass bei Detektion des unteren freien Sensors ein Befehl zum Schließen der Sperreinrichtung oder zum Reinigen der Anordnung gegeben werden kann.

Auch eine, wie in f) dargestellte, kontinuierliche Messung ist möglich.