Die Erfindung betriff ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit zumindest einer Lichtquelle, einer optischen Detektoreinheit, einer Regel-/Auswerteinheit und einem Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Refraktometer. Refraktometer werden in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik, beispielsweise in der Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft, Chemie, Biochemie, Pharmazie,

Biotechnologie und Umweltmesstechnik zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, bspw. einer Prozessflüssigkeit, eingesetzt. Der Brechungsindex wird zum Beispiel zur Bestimmung einer aus dem Brechungsindex ableitbaren Prozessgröße, wie etwa der Konzentration eines Stoffes in dem Prozessmedium, bspw. Zucker, oder bei einer Reinheitsprüfung herangezogen.

Das Messprinzip eines Refraktometers beruht darauf, dass an einer durch eine medienberührende Oberfläche des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma Licht eingestrahlt wird. Dabei wird mittels Brechung und/oder Reflexion des Lichts an der Grenzfläche ein optisches Signal erzeugt. Die Richtung und/oder Intensität der gebrochenen und/oder reflektieren Lichts an der medienberührende Oberfläche ist abhängig von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Prozessmedium und Messprisma. Anhand des optischen Signal und dem bekannten Brechungsindex des Messprismas kann somit der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt werden.

Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise sogenannte Abbe-Refraktometer bekannt, die mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion arbeiten. In Abhängigkeit von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Messprisma und dem Prozessmedium sowie dem Einfallswinkel wird das an eine Grenzfläche zwischen Prozessmedium und

Messprisma eingestrahlte Licht teilweise in das Prozessmedium gebrochen und reflektiert oder vollständig reflektiert. Der kritische Winkel der Totalreflexion wird mittels der reflektierten Lichtintensität in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel bestimmt und daraus der Brechungsindex des Prozessmediums ermittelt. Abbe-Refraktometer sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen beschrieben, beispielweise in der DE 1994 47 98 A1 .

Im Gegensatz zu Abbe-Refraktometern werden bei Durchlichtrefraktometern (auch: Transmissionsrefraktometer) Messprisma und Prozessmedium von einem vorzugsweise kolliminierten Strahlenbündel durchquert. Die Ablenkung des Strahlenbündels beim Durchqueren des Messprismas und des Prozessmediums ist dabei abhängig von deren Brechungsindexdifferenz. Der Ablenkungswinkel zwischen dem eingestrahlten und dem durchquerenden Strahlenbündel ist daher ein Maß für den Brechungsindex des

Prozessmediums. Der Ablenkungswinkel wiederum wird beispielsweise anhand der Position eines Fokuspunktes des durchquerenden Strahlenbündels auf einer zur optischen Achse des eingestrahlten Strahlenbündels senkrechten Detektorebene ermittelt. Oftmals werden Messprismen mit gegeneinander geneigten Oberflächen an der medienberührende Oberfläche des Messprismas verwendet. In diesem Fall werden zwei Fokuspunkte erzeugt, aus deren Abstand der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmbar ist.

Nachteilig an bekannten Durchlichtrefraktometern ist, dass sie in der Regel zwei Zugänge zum Prozessmedium benötigen. Ein Durchlicht-Refraktometer mit einem einseitigen Prozesszugang ist in der Patentschrift DE 10 2007 05 07 31 B3 beschrieben. In dem darin beschriebenen Refraktometer wird über einen einzigen Prozesszugang Licht eingestrahlt, das mittels einer Beleuchtungsoptik kolliminiert wird, an einer Umlenkoptik umgelenkt wird, anschließend das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, und durch eine Abbildungsoptik auf eine Detektorebene fokussiert wird. Die Detektorebene ist vorteilhaft auf der Einstrahlseite angeordnet, wodurch der einseitige Zugang zum

Prozessmedium ermöglicht wird.

In der zum Zeitpunkt des Anmeldetags dieser Anmeldung noch unveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin mit der Anmeldenummer 1020181 16409.2 ist ein Durchlicht- Refraktometer mit einseitigem Prozesszugang beschrieben, welches eine gemeinsame Abbildungs- und Beleuchtungsoptik verwendet. Dadurch kann vorteilhaft der

Durchmesser eines Zugangs zum Prozessmedium verkleinert werden.

Allen Refraktometern ist dabei gemein, dass sie ein Messprisma, eine Lichtquelle, eine optische Detektoreinheit zur Detektion des optischen Signals und eine Regel- /Auswerteeinheit zur Reglung und/oder Auswertung des optischen Signal und

anschließenden Ermittlung des Brechungsindex des Prozessmediums aufweisen. Der Messbereich des Refraktometers ist dadurch beschränkt, dass das bei der Brechung und/oder Reflexion erzeugte optische Signal von der optischen Detektoreinheit vollständig erfassbar ist.

Beispielsweise müssen im Falle der Erzeugung von zwei Fokuspunkten (siehe o.g.

Durchlichtrefraktometer) beide Fokuspunkte von der optischen Detektoreinheit erfassbar sein. Für den Fall, dass oftmals starke Einschränkungen an die Dimension der optischen Detektoreinheit vorliegen, bspw. bedingt durch kleine Prozesszugänge, weisen aus dem Stand der Technik bekannte Refraktometer einen stark begrenzten Messbereich auf. Es ist daher wünschenswert, ein Refraktometer mit einem vergrößerten Messbereich anzugeben, ohne dabei die optische Detektoreinheit zu vergrößern und/oder die

Sensitivität des Refraktometers zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer anzugeben, das einen vergrößerten Messbereich aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums sowie durch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Refraktometer.

Bezüglich des Refraktometers wird die Aufgabe gelöst durch ein

Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: -mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen,

- eine optische Detektoreinheit,

- eine Regel-/Auswerteinheit und

- ein Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex,

wobei die Lichtquellen von der Regel-/Auswerteinheit jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist, in denen

- jeweils genau eine der mehreren Lichtquellen Licht aussendet und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma einstrahlt,

das Licht an der Grenzfläche Lichtbrechung und/oder Reflexion erfährt und zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges optisches

Signal erzeugt,

die optische Detektoreinheit das zumindest eine erzeugte optische Signal erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit übermittelt, welche das zu dem Betriebsmodus gehörige optische Signal speichert,

und wobei die Regel-/Auswerteinheit dazu ausgestaltet ist, anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale aus allen Betriebsmodi und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas den Brechungsindex des Prozessmediums zu bestimmen. Je nach Betriebsmodus d.h. der darin verwendeten Lichtquelle und dem Brechungsindex des Prozessmediums ist das erzeugte optische Signal aus dem jeweiligen Betriebsmodus auf die optische Detektoreinheit abbildbar, nur teilweise abbildbar oder nicht abbildbar. In der Erfindung ist dabei für zumindest einen der Betriebsmodi ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges und mit darin verwendeten Lichtquelle erzeugtes optisches Signal zumindest teilweise von der optischen Detektoreinheit erfassbar. Falls beispielsweise das optische Signal zwei Fokuspunkte umfasst, deren Position vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängt, wird zumindest in einem der

Betriebsmodi zumindest einer dieser Fokuspunkte erfasst. Bei der Verwendung der optischen Signale aus allen Betriebsmodi weist das Refraktometer einen vergrößerten Messbereich auf im Vergleich zu einem Refraktometer mit nur einer Lichtquelle, das sonst vergleichbar ausgestaltet ist. Durch diese Vergrößerung des Messbereichs kann das Refraktometer ohne weitere bauliche Maßnahmen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Prozessmedien eingesetzt werden, auch bei vergleichsweise kleinen Prozesszugängen. Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich sowohl für die eingangs beschriebenen

Durchlicht- als auch Grenzwinkelrefraktometer. Bei Durchlichtrefraktometern handelt es sich bei dem zumindest einen von dem Brechungsindex des Prozessmediums abhängigen optisches Signal bspw. um die Position zumindest eines Fokuspunktes eines Strahlenbündels, welches an der medienberührenden Oberfläche Lichtbrechung erfahren hat. Bei Grenzwinkelrefraktometern handelt es sich bei dem zumindest einen von dem Brechungsindex des Prozessmediums abhängigen optisches Signal bspw. um die Position eines hell-dunkel Übergangs in der Intensität des an der Grenzfläche reflektierten Lichts und einem zu dieser Position gehörigen Einfallswinkel des eingestrahlten Lichts, der dem Grenzwinkel der Totalreflexion entspricht.

Bei der zumindest einen Lichtquelle handelt es sich beispielsweise um eine LED.

Die optische Detektoreinheit umfasst bspw. eine Kamera mit einer vorgegeben Anzahl von Pixeln. Es ist z.B. möglich, dass die Kamera genau eine Zeile mit Pixeln umfasst.

In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Refraktometer um ein Durchlicht-Refraktometer, aufweisend ein optisches System, mit einer optischen Achse, wobei das optische System und das Messprisma entlang der optischen Achse versetzt zueinander angeordnet sind, und das optische System dazu ausgestaltet ist, aus dem von der jeweiligen Lichtquelle erzeugten Licht ein kolliminiertes Strahlbündel zu erzeugen, wobei das Messprisma zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte Oberflächen aufweist, die an der mediumberührenden Oberfläche des Messprismas angeordnet sind, und wobei die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen jeweils in Bezug zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Neigungsachse und in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, wobei die Neigungsachse senkrecht zur optischen Achse ist.

Durch die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen des Messprismas werden als optisches Signal zwei Fokuspunkte erzeugt, deren Abstand ein Maß für den

Brechungsindex des Prozessmediums darstellt. Insbesondere ist die Neigung der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse.

In einer weiteren Ausgestaltung des Durchlicht-Refraktometers weist dieses ein

Umlenkelement auf, wobei das Umlenkelement und das optische System derart entlang der optischen Achse zueinander angeordnet sind, dass

- das Strahlenbündel in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Messprisma und das Prozessmedium durchquert, wobei das Strahlenbündel an der medienberührende Oberfläche ein erstes Mal Lichtbrechung erfährt,

- das Strahlenbündel am Umlenkelement umgelenkt wird,

- das Strahlenbündel in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma und das Prozessmedium durchquert, wobei das Strahlenbündel an der medienberührende Oberfläche ein zweites Mal Lichtbrechung erfährt, und

- das optische System anschließend das Strahlenbündel auf die optische Detektoreinheit fokussiert .

Bei dem Umlenkelement handelt es sich beispielsweise um einen Spiegel oder einen Retroreflektor. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass (siehe die noch unveröffentlichte Anmeldung mit der Anmeldenummer 1020181 16409.2) das optische System als eine gemeinsame Abbildungs- und Beleuchtungsoptik dient. Mittels des Umlenkelements wird vorteilhaft das gebrochene Licht in Einstrahlrichtung zurückgelenkt. Dabei herrschen keine Einschränkungen an die Anordnung des Messprismas im Bezug zu dem Prozessmedium, solange die gegeneinander geneigten Oberflächen des

Messprismas mediumberührend sind und wie erforderlich die Grenzfläche

Prozessmedium-Messprisma vorliegt. Bspw. kann das Refraktometer ein Prozessfenster umfassen, durch das das kolliminierte Strahlenbündel vor dem ersten Durchgang in einer Eintrittsrichtung in das

Prozessmedium eintritt und durch das das Strahlenbündel anschließend zu dem zweiten Durchgang in der Austrittsrichtung aus dem Prozessmedium austritt. Das Messprisma, das Prozessfenster und das Umlenkelement sind derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Prozessmedium und

anschließend das Messprisma durchquert, und in dem zweiten Durchgang in

umgekehrter Reihenfolge das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert. In Bezug auf den Weg des Strahlenbündels des ersten Durchgangs ist die Anordnung in dieser Ausgestaltung also Prozessfenster-Prozessmedium-Messprisma- Umlenkelement. Die Anordnung Messprisma- Prozessmedium-Umlenkelement ist selbstverständlich auch möglich. In einer alternativen Ausgestaltung sind daher das Messprisma und das Umlenkelement derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge zunächst das

Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert, wobei das kolliminierte Strahlenbündel über das Messprisma in das Prozessmedium eintritt und über das Messprisma aus dem Prozessmedium austritt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass das Messprisma selbst als ein Prozessfenster dient. Es wird also kein zusätzliches Prozessfenster benötigt.

In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers umfasst die optische Detektoreinheit eine Kamera mit zumindest einer in einer Detektorebene angeordneten Pixelzeile, deren Pixel entlang einer zu einer zur optischen Achse und zur Neigungsachse im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Zeilenrichtung angeordnet sind, und wobei die mehreren Lichtquellen entlang einer Lichtquellenrichtung versetzt angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Zeilenrichtung ist.

In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers ist eine der Lichtquellen als eine zentral angeordnete Lichtquelle ausgestaltet, die im Wesentlichen an einem gedachten Schnittpunkt einer zu der optische Achse entlang des Neigungsachse parallel verschobenen Parallelachse mit der Lichtquellenrichtung angeordnet ist. Insbesondere wird das von der zentral angeordneten Lichtquelle ausgesandte Licht entlang der optischen Achse des optischen Systems kolliminiert.

In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers ist zumindest eine der Lichtquellen als eine dezentral angeordnete Lichtquelle ausgestaltet, die in der

Lichtquellenrichtung in Bezug auf einen gedachten Schnittpunkt einer zu der optische Achse entlang der Neigungsachse parallel verschobenen Parallelachse mit der

Lichtquellenrichtung von dem Schnittpunkt in Lichtquellenrichtung mit einem Abstand angeordnet ist.

In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung weist das Durchlicht-Refraktometer zwei dezentral angeordnete Lichtquellen auf,

wobei insbesondere ein erster Abstand zwischen der ersten dezentral angeordneten Lichtquelle und dem gedachten Schnittpunkt mit einem zweiten Abstand zwischen der zweiten dezentral angeordneten Lichtquelle und dem gedachten Schnittpunkt übereinstimmt, so dass die beiden dezentral angeordneten Lichtquellen um den gedachten Schnittpunkt in entgegengesetzte Richtungen symmetrisch angeordnet sind. WO 2020/200691 PCT/EP2020/056713

In einer Ausgestaltung des Durchlichtrefraktometers erzeugt jede der Lichtquellen auf der Detektorebene

zwei äußere Fokuspunkte, deren Position in Zeilenrichtung abhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums ist und

- einen zwischen den beiden Fokuspunkten zentral angeordneten Fix-Fokuspunkt, dessen Position in Zeilenrichtung unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums ist,

wobei die dezentralen Lichtquellen derart angeordnet sind, insbesondere deren Abstand so gewählt ist, dass

- für alle dezentralen Lichtquellen deren Fix-Fokuspunkt auf die Pixelzeile abbildbar ist und

für alle dezentralen Lichtquellen und alle Brechungsindizes des Prozessmediums aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte der dezentralen Lichtquellen auf die Pixelzeile abbildbar ist.

In einer zu dem Durchlicht-Refraktometer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Refraktometer um ein Grenzwinkel-Refraktometer, das derart ausgestaltet ist, dass eine erste der Lichtquellen das Licht auf die mediumberührende Oberfläche des Messprismas unter einem ersten Winkelbereich einstrahlt,

- eine zweite der Lichtquellen das Licht auf die mediumberührende Oberfläche des

Messprismas unter einem zweiten Winkelbereich einstrahlt,

wobei der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich einen Überlapp aufweisen, insbesondere einen Überlapp von zumindest 5% der Spanne des ersten und/oder zweiten Winkelbereichs,

- und wobei alle Lichtquellen die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der

mediumberührenden Oberfläche des Messprismas ausleuchten.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem Refraktometer, insbesondere einem erfindungsgemäßen Refraktometer, aufweisend:

-mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen,

-eine optische Detektoreinheit,

- eine Regel-/Auswerteinheit und

- ein Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex,

wobei die Lichtquellen von der Regel-/Auswerteinheit jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist,

und wobei das Refraktometer zeitlich aufeinanderfolgend in verschiedenen Betriebsmodi betrieben wird, in denen - jeweils von genau einer der mehreren Lichtquelle Licht ausgesandt und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche des Messprismas gebildete

Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma eingestrahlt wird, das Licht an der Grenzfläche gebrochen und/oder reflektiert wird, wobei zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges optisches

Signal erzeugt wird,

das zumindest eine erzeugte optische Signal von der optischen Detektoreinheit erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit übermittelt, wird, wobei das zu dem jeweiligen Betriebsmodi gehörige optische Signal gespeichert wird,

und wobei von der Regel-/Auswerteinheit anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale aus allen Betriebsmodi und anhand des vorgegebenen

Brechungsindex des Messprismas der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt wird. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet. Es zeigen:

Fig. 1 : Eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Refraktometers als

Durchlichtrefraktometer in einer Schnittansicht;

Fig. 2a, 2b: Ein Detail einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Refraktometers in einer weiteren Ansicht;

Fig. 3: Ein Grenzwinkelrefraktometer nach dem Stand der Technik;

Fig. 4, 4a, b, c: Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers als Grenzwinkelrefraktometer;

Fig. 5: Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers als G re n zwi n ke I ref ra kto me te r. In Fig. 1 ist eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers zur

Messung des Brechungsindex eines Prozessmediums PM dargestellt. Dieses weist zwei Lichtquellen 21 ,22 auf, die in entlang einer Lichtquellenrichtung y‘ versetzt angeordnet sind. In einem ersten Betriebsmodus BM1 wird das Licht einer ersten Lichtquelle 21 mittles eines optischen Systems 8 entlang dessen optischer Achse z kolliminiert und durchquert anschließend das Messprisma 6. Dieses weist auf einer in einem Messbetrieb medienberührenden Oberfläche OF zwei um eine Neigungsachse x gegeneinander geneigte Oberflächen OF1 ,OF2 auf. Das Strahlenbündel des kolliminierten Lichts weist dabei einen ersten Anteil SB1 auf, der an der ersten Oberfläche OF1 Lichtbrechung erfährt, und einen zweiten Anteil SB2 auf, der an der zweiten Oberfläche OF2

Lichtbrechung erfährt.

Beim Austritt aus dem Messprisma 6 über die medienberührenden Oberflächen OF1 ,OF2 findet eine erste, vom Brechungsindex des Prozessmediums PM abhängige

Lichtbrechung statt. Nun wird mittels eines Umlenkelements 9 jeweils das gebrochene Strahlenbündel SB1 ,SB2 reflektiert und erfährt bei einem zweiten Übergang zwischen Prozessmedium PM und Messprisma 6 erneut Lichtbrechung. Anschließend werden die Strahlenbündel SB1 ,SB2 mittels des optischen Systems 8 auf eine auf der Einstrahlseite des Lichts angeordneten optischen Detektoreinheit 7 mit einer Kamera 5

zurückfokussiert, wobei in einer Detektorebene Fokuspunkte FF,FP1 ,FP2 erzeugt werden.

Dabei werden jedem der Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3,.,, zwei äußere Fokuspunkte FP1 ,FP2 erzeugt, deren Abstand in Zeilenrichtung y ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt. Ferner wird ein zwischen den beiden Fokuspunkten FP1.FP2, zentral angeordneter Fix-Fokuspunkt FF erzeugt, dessen Position in

Zeilenrichtung y unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums PM ist.

Der Fix-Fokuspunkt FF wird durch einen in der Mitte des Strahlenbündels SB

angeordneten Anteil erzeugt, der bei dem ersten Durchgang an einer ersten der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ;OF2 das erste Mal Lichtbrechung und bei dem zweiten Durchgang an der zweiten der beiden gegeneinander geneigten

Oberflächen OF2;OF1 das zweite Mal Lichtbrechung erfährt. Diese beiden Brechungen heben sich für den Fall eines zu der optischen Achse z symmetrischen Messprismas 6 gegenseitig auf.

Der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten FP1.FP2 in einer zu der Neigungsachse x und der optischen Achse z im Wesentlichen senkrechten Zeilenrichtung y stellt damit ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM dar. Hierbei umfasst die Kamera zumindest eine Pixelzeile PZ (vgl. Fig 2a, 2b), die entlang der Zeilenrichtung y angeordnet ist, welche senkrecht zur optischen Achse z und zu der Neigungsachse x ist. Die vorstehend erwähnte Lichtquellenrichtung y‘ ist wiederum parallel zur der

Zeilenrichtung y.

In der hier gezeigten Ausgestaltung ist das Material für das Messprisma 6 derart gewählt, dass dessen Brechungsindex nG größer ist als alle Werte für den Brechungsindex des Prozessmediums aus dem Messbereich des Refraktometers nM. Nach oben ist der Messbereich also durch die Wahl des Materials für das Messprisma begrenzt, welches typischerweise ein Glas oder Saphir umfasst. Je kleiner der Brechungsindex des Prozessmediums PM, desto größer ist der Abstand zwischen den äußeren Fokuspunkten FP1 .FP2. Hierbei kann für kleine Brechungsindizes des Prozessmediums PM der Fall auftreten, dass die in dem ersten Betriebsmodus BM1 erzeugten Fokuspunkte FP1 ,FP2 nicht mehr von der Kamera erfassbar sind. Es wird dann nur noch der zwischen den Fokuspunkten F1 ,F2 angeordnete Fix-Fokuspunkt FF erfasst.

In einem weiteren Betriebsmodus BM2 mit der in der Lichtquellenrichtung y‘ versetzten, weiteren Lichtquelle 22 können weitere Fokuspunkte FP1 ,FP2,FF erzeugt werden, wodurch der Messbereich des erfindungsgemäßen Refraktometers nach unten vergrößert ist, im Vergleich zu einem ansonsten identisch ausgestalteten Refraktometer, welches nur die erste Lichtquelle 21 aufweist. Diese Vergrößerung des Messbereichs mittels der separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22 ist im Folgenden für ein Durchlichtrefraktometer im Zusammenhang mit Fig. 2a, 2b detailliert erläutert. In Fig. 2a ist eine zentral angeordnete Lichtquelle als schwarz-gefüllter Punkt in einer Ansicht gezeigt, die in Bezug zu der in Fig. 1 gezeigten Ansicht um 90° um die

Zeilenachse y gedreht ist. Die zentral angeordnete Lichtquelle LZ ist dabei an einem Schnittpunkt SP zwischen einer Parallelachse z‘ und der Lichtquellenrichtung

y‘ angeordnet, wobei die Parallelachse z‘ in Neigungsrichtung x parallel zu der optischen Achse z verschoben ist. Die zentral angeordnete Lichtquelle LZ entspricht im

Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten ersten Lichtquelle 21 .

Ferner weist das Refraktometer zwei dezentral angeordnete Lichtquellen LD1.LD2 auf, die entlang der Lichtquellenrichtung y‘ versetzt angeordnet sind und jeweils mit einen Abstand y1 , y2 von der zentral angeordneten Lichtquelle LZ beabstandet sind. Die dezentral angeordneten Lichtquellen LD1 .LD2 sind in Fig. 2a als verschieden schraffierte Kreise dargestellt. Bevorzugt stimmt der erste Abstand y1 mit dem zweiten Abstand y2 überein. Bei der optischen Detektoreinheit 7 handelt es sich um die Kamera 5 mit einer Pixelzeile PZ, die entlang der Zeilenrichtung y angeordnet ist. Die Pixel sind hier als ungefüllte Kreise dargestellt.

Ist das Refraktometer wie schon in Fig. 1 gezeigt ausgestaltet, werden in jedem der Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3 die zwei äußeren Fokuspunkte FP1 ,FP2 in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugt, deren Abstand in y-Richtung ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt. Die erste dezentral angeordnete Lichtquelle LD1 wird in diesem Ausführungsbeispiel im zweiten Betriebsmodus BM2 und die zweite dezentral angeordnete Lichtquelle LD2 im dritten Betriebsmodus BM3 verwendet. Zur besseren Identifikation der Fokuspunkte FP1 ,FP2, FF mit den

Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3 sind in Fig. 2b in der unteren Bildhälfte die jeweiligen Fokuspunkte FP1 ;FP2; FF entsprechend der jeweils bei ihrem Erzeugen verwendeten

Lichtquelle LZ;LD1 ;LD2 dargestellt, nämlich als schwarz gefüllte bzw. als unterschiedlich schraffierte Kreise. Der Abstand y1 ,y2 ist nun so gewählt, dass für alle Lichtquellen LZ;LD1 ;LD2 deren Fix-Fokuspunkt FF auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar ist und für alle dezentralen Lichtquellen LD1.LD2 und alle Brechungsindizes des

Prozessmediums PM aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte FP1 , FP2 der dezentralen Lichtquellen LD1.LD2 auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar ist.

Die in dem ersten Betriebsmodus BM1 in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugten äußern Fokuspunkte FP1.FP2 der zentralen Lichtquelle LZ müssen dabei nicht mehr unbedingt für alle Brechungsindizes des Prozessmediums PM aus dem

Messbereich des Refraktometers auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sein. Je nach Brechungsindex des Prozessmediums kann gegebenenfalls nur jeweils ein äußerer Fokuspunkt FP1 ;FP2 aus dem zweiten und dritten Betriebsmodus BM2.BM3 auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sein.

Dies ist hier für den ersten Betriebsmodus BM1 gezeigt. Hier sind die in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugten äußern Fokuspunkte FP1 , FP2 der zentralen Lichtquelle LZ nicht mehr auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar, so dass in dem ersten Betriebsmodus BM1 nur der zentral angeordnete Fix-Fokuspunkt FF von der optischen Detektoreinheit 7 erfasst wird. Da die beiden äußeren Fokuspunkte FP1 .FP2 (gefüllte schwarze Kreise) nicht mehr auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sind, lässt sich daher aus dem ersten Betriebsmodus BM1 alleine nicht mehr der

Brechungsindex des Prozessmediums PM bestimmen.

Durch die Verwendung der äußeren Fokuspunkte FP1.FP2 aus einem der weiteren Betriebsmodi BM2.BM3 lässt sich ein Abstand d3= 2 ^* d31 oder d3= 2 ^* d32 zu jeweils dem mittleren Fix-Fokuspunkte FF aus diesem Betriebsmodus BM2;BM3 bestimmen. Der Abstand d3 stellt dann ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM dar. Gegebenenfalls kann auch über die beiden Betriebsmodi BM2 und BM3 gemittelt werden, und ein Abstand d3= % ( 2 ^* d31 +2 ^* d32) = d31 + d32 verwendet werden.

Für den Fall, dass es sich um ein getrübtes Prozessmedium PM handelt, kann der mittlere Fix-Fokuspunkt FF, je nach Brechungsindex des Prozessmediums PM, nur von geringer Lichtintensität und damit sehr schwach ausgeprägt sein. Um nicht auf den mittleren Fix-Fokuspunkt FF angewiesen sein zu müssen, kann alternativ oder zusätzlich auch ein Abstand d3‘ zwischen den äußeren Fokuspunkten FP2,FP1 aus jeweils unterschiedlichen Betriebsmodi BM2,BM3 verwendet werden. Der Abstand d3, welcher das Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt, ergibt sich nun über d3 = d3‘ + y1 + y2. In diesem Fall muss der Abstand der dezentralen Lichtquellen LD1 , LD2 voneinander, d.h. y1 + y2, jedoch sehr genau bekannt sein, da sich jeder Drift dieses Abstands im Messergebnis wiederspiegelt.

Ungeachtet der Tatsache, dass in dem Ausführungsbeispiel die Erfindung mit drei Lichtquellen LZ,LD1 ,LD2 erläutert wurde, sind also zwei Lichtquellen ausreichend für die Ausgestaltung als Durchlicht-Refraktometer mit erweitertem Messbereich, bspw. eine zentrale Lichtquelle LZ und eine dezentrale Lichtquelle LD1 oder zwei dezentrale

Lichtquellen LD1.LD2. In der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung als Durchlichtrefraktometer können das

Messprisma 6 und das Prozessmedium PM wie bspw. in der 1020181 16409.2 gezeigt auch in umgekehrter Reihenfolge zueinander angeordnet sein, wobei in diesem Fall ein zusätzliches Prozessfenster benötigt wird. Ferner kann das Refraktometer ggf. noch einen hier nicht explizit gezeigten und bspw. als Pt100 ausgestalteten Temperatursensor umfassen. Dieser misst zusätzlich die

Temperatur des Prozessmediums PM und übermittelt diese an die Regel- /Auswerteeinheit 4. Die vom Temperatursensor gemessene Temperatur wird vorteilhaft z.B. bei der Berechnung einer vom Brechungsindex abhängigen Zuckerkonzentration des Prozessmediums PM berücksichtigt.

Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer kann durch die Verwendung von mehreren, separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22,23, insb. zumindest zweier

Lichtquellen, eine Erweiterung des Messbereichs erreicht werden. Dies ist in den Fig. 3 bis 5 näher dargestellt.

Fig. 3 erläutert das im Stand der Technik bekannte Messprinzip eines

Grenzwinkelrefraktometers, bei dem das Licht einer Lichtquelle, bspw. mittels eines optischen Systems 81 , unter verschiedenen Winkeln a auf eine Prozessmedium PM- berührende Grenzfläche OF eines Messprismas 6 eingestrahlt wird. Die Beleuchtung (d.h. Lichtquelle 21 und das optische System 81) sind dabei so ausgelegt, dass an unterschiedlichen Orten das Licht in unterschiedlichen Winkeln auf die Grenzfläche OF trifft (ortsaufgelöstes Winkelspektrum). An einem hell-dunkel Übergang des reflektierten Lichts ist der Grenzwinkel der Totalreflexion und daraus der Brechungsindex des

Prozessmediums PM bestimmbar. In dem hier gezeigten Beispiel wird Licht unter den Winkeln a eingestrahlt, die zwischen dem Wnkeln a1 und a2 liegen. Im Beispiel in Fig. 3 wächst der Einstrahlwinkel a innerhalb der beleuchteten Fläche von links nach rechts an. Um den Grenzwinkel zu bestimmen, muss dieser Einstrahlwinkel a zwischen cd und a2 liegen. Die Winkel cd und a2 begrenzen somit den Messbereich des Refraktometers. Eine Erweiterung des Messbereich, bei der die ausgeleuchtete Grenzfläche OF nicht vergrößert werden muss, wird dadurch erreicht, dass separat ansteuerbare Lichtquellen 21 ,22,23 verwendet werden. Diese beleuchten die im wesentlichen gleiche Fläche auf der Grenzfläche OF, aber aus jeweils unterschiedlichen Winkelbereichen cd - a2, ß1 - ß2 und g1 - g2. Hierbei ist mittels eines leichten Überlappens von benachbarten Wnkelbereichen (also z.B. indem a2 > ß1 und ß2 > g1 ist) sichergestellt, dass es keine Lücken im

Messbereich gibt, wobei der Überlapp bspw. mindestens 5% aufweist. Für den Fall, dass die Winkelbereiche cd - a2, ß1 - ß2 und g1 - g2 unterschiedlich groß sind, ist als

Bezugsgröße für die relative Angabe für den Überlapp bspw. der größte Wnkelbereich zu nehmen.

Würde man in Fig. 3 wie in der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung mehrere in einer Lichtquellenrichtung versetzt angeordnete Lichtquellen 21 ,22,23 verwenden, so würden zwar wie gewollt überlappende Wnkelbereiche cd - a2, ß1 - ß2 und g1- g2 auftreten, jedoch würde gleichzeitig eine Verschiebung im Ortsraum auftreten, d.h. gleichzeitig eine größere Kamera 5 benötigt werden. Dies lässt sich z.B. durch eine Blende 10 vermeiden. In Fig. 4, 4a, 4b ist ein Beispiel mit 3 LEDs gezeigt. Es handelt sich um LED Chips ohne Kollimatoroptik, welche als Lambert-Strahler beschrieben werden können, d.h. sie strahlen in alle Richtungen ab, jedoch passiert nur ein bestimmter Teil des Lichts mit Wnkeln aus einem bestimmten Bereich des Wnkelspektrums die Blende 10, der Rest des Lichts wird absorbiert. Wrd nun die Blende 10 mittels eines optischen Systems 81 auf die Grenzfläche OF des Messprismas 6 abgebildet, kann über die Position der Lichtquelle 21 ,22,23 im Bezug zu der Blende 10 der Wnkelbereich cd - a2, ß1- ß2, bzw. g1 - g2 eingestellt werden. Die Position der Lichtquelle 21 ,22,23 in Bezug auf die Blende 10 bestimmt, welcher Teil des ursprünglichen Wnkelspektrums der Lichtquelle 21 ,22,23 die Blende 10 passiert. Die Position des Lichtflecks bleibt jedoch konstant, da er über die im Ortsraum fixierte Position der Blende 10 definiert ist. Der Wnkelbereich cd - a2 der ersten Lichtquelle 21 ist in Fig. 4, Fig.4a mit Hilfe einer gepunktet-gestrichelten Linie, der Wnkelbereich ß1 - ß2 der zweiten Lichtquelle 22 ist in Fig. 4, Fig.4b mit Hilfe einer durchgezogenen Linie, und der Winkelbereich g1 - g2 der dritten Lichtquelle 23 ist in Fig. 4, Fig. 4c mit Hilfe einer gestrichelten Linie dargestellt.

Nachteilig an einer Verwendung einer Blende 10 ist die geringere Lichtausbeute. Um ohne Blende 10 auszukommen müssen die Lichtquellen 21 ,22,23 nicht nur zueinander verschoben, sondern auch zueinander verkippt werden (hier nicht explizit dargestellt). Eine Möglichkeit, denselben Effekt ohne eine explizite Verkippung der Lichtquellen 21 ,22,23 zu erreichen, ist die Verwendung eines Lichtleiters 1 1 umfassend mehrere Fasern F1 ,F2,F3, wobei jede der Fasern F1 ,F2,F3mit einer der separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22,23 verbunden ist. Ein derartiges Beispiel ist in Fig. 5 gezeigt. Die Austrittsflächen der äußeren Fasern F1 ,F2, F3 sind dabei derart angeschrägt, dass das Licht in einem bestimmten Winkelbereich a1- a2, ß1- ß2, bzw. g1 - g2 austritt. Hierbei ist zu beachten, dass das Anschrägen der Fasern F1 ,F2,F3 in Bezug auf den Lichtkegel des aus den Fasern F1 ,F2,F3 austretenden Lichts derart abgestimmt ist, dass ein leichter Überlapp der Winkelbereiche cd- a2, ß1 - ß2 und g1- g2 gewährleistet ist. Zum anderen muss der Faserabstand d so gewählt sein, dass für alle Lichtquellen 21 ,22,23 bzw.

Fasern F1 ,F2,F3 die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der medienberührenden Oberfläche OF des Messprismas 6 ausgeleuchtet wird. Wie schon vorstehend ist auch in Fig. 5 der Winkelbereich cd - a2 der ersten Lichtquelle 21 mit Hilfe einer gepunktet gestrichelten Linie dargestellt, der Winkelbereich ß1- ß2 der zweiten Lichtquelle 22 mit Hilfe einer durchgezogenen Linie dargestellt, und der Winkelbereich g1- g2 der dritten Lichtquelle 23 mit Hilfe einer gestrichelten Linie dargestellt.

Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer umfasst die Erfindung also eine Anordnung von mindesten 2 separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22;23. Mit diesen wird auf der medienberührenden Grenzfläche OF durch jede der Lichtquellen 21 ;22,23 ein Lichtfleck erzeugt, der ein ortsaufgelöstes Winkelspektrum aufweist. Je nach

Grenzwinkel wird die Lichtquelle 21 ,22,23 mit dem entsprechenden Winkelbereich zur Bestimmung verwendet. Die Lichtflecken der einzelnen Lichtquellen 21 ,22;23 überlappen im Ortsraum nahezu komplett und sind im Winkelraum verschoben, mit jeweils leichtem Überlapp. Dadurch ist eine kontinuierliche Bestimmung des Grenzwinkels möglich. Abhängig vom

Brechungsindex des Prozessmediums PM liegt der Grenzwinkel in einem (oder zwei, falls im überlappenden Bereich, bspw. zwischen ß1 und a2) der Winkelbereiche cd- a2, ß1- ß2 und g1 - g2, welche jeweils in einem der Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3 verwendet werden. Der/die entsprechende/n Betriebsmodus/i BM1 ;BM2;BM3 wird dann zur Bestimmung des Brechungsindex verwendet. Um den gleichzeitigen Überlapp im Ortsraum und die Verschiebung im Winkelraum zu erreichen, wird wie vorstehend erwähnt bspw. eine Blende 10, eine Verkippung der Lichtquellen 21 ,22,23 oder einem Lichtleiter 1 1 mit angeschrägten Austrittsflächen verwendet.

In der hier erläuterten Ausgestaltung wurde eine Erweiterung der Winkelbereichs auf Seiten der Beleuchtung diskutiert. Selbstverständlich muss auch die optische

Detektoreinheit 7 auf einen erweiterten Messbereich ausgelegt sein. Das Bildfeld bleibt war im Idealfall identisch, die Apertur (d.h. die Winkel, die die Abbildungsoptik erfasst oder das„Bildfeld im Winkelraum“) muss also entsprechend erweitert werden.

Bezugszeichen und Symbole

21 ,22,23 Lichtquellen

4 Regel-/Auswerteeinheit

5 Kamera

6 Messprisma

7 optische Detektoreinheit

8 optisches System

81 optisches System

9 Umlenkelement

10 Blende

1 1 Lichtleiter

PM Prozessmedium

OS optisches Signal

z optische Achse

z‘ Parallelachse

X Neigungsachse

y zur optischen Achse und Neigungsachse senkrechte Achse

Ϋ Lichtquellenrichtung

PZ Pixelzeile

OF medienberührende Oberfläche

OF1 ,OF2 gegeneinander geneigte Oberflächen

SB,SB1 ,SB2 Strahlenbündel, erster/zweiter Anteil Strahlenbündel SP Schnittpunkt

LZ zentral angeordnete Lichtquelle

LD1 .LD2 dezentral angeordnete Lichtquellen

BM1 ,BM2,BM3 Betriebsmodi

FF,FP1 ;FP2 Fokuspunkte

a1 - a2, b1- b2,g1 - g2 Winkelbereiche

F1 ,F2,F3 Fasern

d Faserabstand