Die Erfindung betrifft ein Durchlicht-Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: eine in einer Objektebene angeordnete Lichtquelle, die bei der Bestimmung des Brechungsindex aus der Objektebene heraus Licht aussendet, ein optisches System, das aus dem von der Lichtquelle ausgesandten Licht ein entlang einer zur Objektebene im Wesentlichen senkrechten optischen Achse parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt, das in einer Eintrittsrichtung in das

Prozessmedium eintritt, ein in das Prozessmedium zumindest teilweise eingebrachtes Messprisma, eine optische Detektoreinheit, und eine Regel-/Auswerteeinheit.

Refraktometer werden in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik, beispielsweise in der Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft, Chemie, Biochemie, Pharmazie,

Biotechnologie und Umweltmesstechnik zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, insbesondere 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, oder bei einer Reinheitsprüfung herangezogen. Das Messprinzip eines Refraktometers beruht darauf, dass an einer Grenzfläche zwischen dem Prozessmedium und einem Messprisma Licht eingestrahlt wird. Anhand des Brechungsverhaltens an der Grenzfläche und dem bekannten Brechungsindex des Messprismas wird der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt. 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 eines Strahlenbündels wird das 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 Durchlicht-Refraktometern

Messprisma und Prozessmedium von dem 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. Nachteilig an bekannten Durchlicht-Refraktometern ist, dass sie in der Regel zwei Zugänge zum Prozessmedium benötigen. Dies ist in manchen Fällen unerwünscht bzw. nicht immer möglich.

In der Patentschrift DE 10 2007 05 07 31 B3 wird dies gelöst, indem über einen einzigen Prozesszugang Licht eingestrahlt wird, das mittels einer Beleuchtungsoptik parallelisiert wird, an einer Umlenkoptik umgelenkt wird, anschließend das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, und durch eine Abbildungsoptik auf eine Detektorebene fokussiert wird. Dadurch ist die Detektorebene vorteilhaft auf der Einstrahlseite angeordnet, wodurch nur ein Zugang zum Prozessmedium notwendig ist. Nachteilig an der in der DE 10 2007 05 07 31 B3 beschriebenen Lösung ist, dass sowohl die

Beleuchtungs- als auch die Abbildungsoptik in dem einseitigen Zugang zum

Prozessmedium untergebracht werden müssen, wodurch entweder relativ große

Gehäuse benötigt werden und/oder die Beleuchtungsoptik und Abbildungsoptik sehr kompakt dimensioniert sein müssen. Dies ist jedoch nicht immer möglich, beispielsweise weil der Zugang zum Prozessmedium an sich begrenzt ist und/oder die Ausgestaltung der Optiken nicht beliebig verkleinert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Durchlicht-Refraktometern mit einem platzsparenden einseitigen Zugang zum Prozessmedium anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Durchlicht-Refraktometer zur Bestimmung des

Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: eine in einer Objektebene angeordnete Lichtquelle, die bei der Bestimmung des Brechungsindex aus der

Objektebene heraus Licht aussendet, ein optisches System, das aus dem von der Lichtquelle ausgesandten Licht ein entlang einer zur Objektebene im Wesentlichen senkrechten optischen Achse parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt, ein Prozessfenster, durch das das parallelisierte Strahlenbündel in einer Eintrittsrichtung in das

Prozessmedium eintritt, ein in das Prozessmedium zumindest teilweise eingebrachtes Messprisma, ein Umlenkelement, eine optische Detektoreinheit und eine Regel- /Auswerteeinheit. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass

das Messprisma und das Umlenkelement derart ausgestaltet und entlang der optischen Achse angeordnet sind, dass das Strahlenbündel in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, am Umlenkelement umgelenkt wird, in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma und das

Prozessmedium durchquert, durch das Prozessfenster in einer zu einer Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium austritt, und mittels des optischen Systems auf die optische Detektoreinheit fokussiert wird, wobei die Regel-/Auswerteeinheit den Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes bestimmt.

Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst die Erfindung also ein optisches System, das sowohl zum Parallelisieren als auch zum Fokussieren der aus zueinander entgegengesetzten Richtungen auf das optische System einfallenden Lichtstrahlen dient: Zum einen erzeugt das optische System aus den aus einer ersten Richtung her auf das optische System einfallenden Lichtstrahlen ein paralleles Strahlenbündel, zum anderen fokussiert das optische System das aus einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung her auf das optische System einfallende Strahlenbündel auf die

Detektoreinheit. Dadurch können wesentlich kleinere Gehäuse als in der im Stand der Technik bekannten Lösung verwendet werden, bei gleichzeitigem einseitigem Zugang zum Prozess. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die beiden Durchgänge des

Strahlenbündels, nämlich den ersten und den zweiten Durchgang durch Messprisma und Prozessmedium, eine doppelte Brechung des Strahlenbündels an der Grenzfläche zwischen Messprisma und Prozessmedium stattfindet. Dadurch wird letztendlich eine höhere Genauigkeit bzw. eine feinere Auflösung erreicht, oder es können bei gleicher Genauigkeit Messprismen verwendet werden, bei denen durch die Brechung an der

Grenzfläche zwischen Messprisma-Prozessmedium eine kleinere Ablenkung verursacht wird.

Als optisches System wird im Rahmen dieser Anmeldung zumindest ein optisches Bauelement, etwa eine Linse, oder eine Vielzahl an zusammenwirkenden optischen Bauelementen, etwa ein Linsensystem, bezeichnet.

Das Umlenkelement ist dabei in Bezug auf die Richtung des das Prozessmedium und das Messprisma beim ersten Durchgang durchquerenden Strahlenbündels hinter dem Messprisma (und dem Prozessmedium) angeordnet.

Dabei ist es prinzipiell möglich, dass das Strahlenbündel bei dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma und anschließend das Prozessmedium oder umgekehrt zunächst das Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert. Im zweiten Fall ist das Messprisma dann zwischen dem Prozessmedium und Umkehrelement angeordnet.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometer weist das Messprisma zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte Oberflächen auf. Die ebenen Oberflächen sind jeweils in Bezug zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Neigungsachse in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt, wobei die Neigungsachse senkrecht zur optischen Achse ist. Das Messprisma ist derart in das Prozessmedium eingebracht, dass die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen mediumberührend sind, wobei ein erster Anteil des Strahlenbündels bei einer der beiden Durchgänge durch das Messprisma über eine erste der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen und ein zweiter Anteil des Strahlenbündels bei diesem Durchgang durch das Messprisma über eine zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma eintritt. Beispielsweise sind die gegeneinander geneigten Oberflächen auf einer Vorderfläche des Messprismas angeordnet, über welche das Strahlenbündel bei dem ersten Durchgang in das Messprisma eintritt. Selbstverständlich können die gegeneinander geneigten

Oberflächen alternativ auch auf einer Rückfläche des Messprismas angeordnet sein, über welche das Strahlenbündel erst nach der Umlenkung durch das Umlenkelement in dem zweiten Durchgang in das Messprisma eintritt.

Dabei wird insbesondere der erste Anteil des Strahlenbündels auf einen ersten

Fokuspunkt und der zweite Anteil des Strahlenbündels auf einen davon verschiedenen, zweiten Fokuspunkt fokussiert. Die beiden Fokuspunkte liegen in einer zur optischen Achse senkrechten Detektorebene. Der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten in der Detektorebene in einer zur optischen Achse und zur Neigungsachse senkrechten Richtung stellt ein Maß für den Betrag der Brechungsindexdifferenz zwischen

Prozessmedium und Messprisma dar. Die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen sind also jeweils gegenüber einer zur optischen Achse senkrechten Ebene derart geneigt, dass das Strahlenbündel bei dem beispielsweise ersten Durchgang jeweils über die erste und zweite der beiden

gegeneinander geneigten Oberfläche mit einem Eintrittswinkel in das Messprisma eintritt, der von einem lotrechten Eintrittswinkel verschieden ist. Dabei ist es selbstverständlich möglich, dass der Winkel zwischen den beiden gegeneinander geneigten Oberflächen kleiner oder größer 180° ist. Insbesondere ist die Neigung der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse. Dabei ist die betragsmäßige Abweichung von einem lotrechten Eintrittswinkel insbesondere kleiner gleich 30°.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Messprisma eine kegelmantelförmige Oberfläche auf. Beispielsweise handelt es sich hier bei dem Messprisma um ein als kegelförmig ausgestaltetes Messprisma. Vorzugsweise handelt es sich bei der kegelmantelförmigen Oberfläche um eine mediumberührende Oberfläche des

Messprismas. Die kegelmantelförmige Oberfläche des Messprismas kann alternativ auch dadurch gebildet sein, dass das Messprisma als ein Negativ einer Kegelform ausgebildet ist. Das Messprisma weist im letzteren Fall also einen im Wesentlichen trichterförmigen Abschnitt auf. Im Unterschied zu der vorherigen Ausgestaltung werden hier nicht zwei Fokuspunkte erzeugt, sondern das Licht wird auf einen ellipsen- oder kreisringförmigen Fokuspunkt (bzw. Fokusring) abgebildet (schiefer/gerader Kegel). Anhand des Radius des ellipsen- oder kreisringförmigen Fokuspunktes lässt sich der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmen. Bei dem kegelförmig ausgestalteten Messprisma handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes Axicon. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Durchlicht-Refraktometer ein

Prozessfenster, durch das das parallelisierte Strahlenbündel vor dem ersten Durchgang in der 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 parallelisierte 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, und daher kein zusätzliches

Prozessfenster benötigt wird.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen Spiegel. Insbesondere liegt in diesem Fall vorteilhaft die optische

Detektoreinheit in der Objektebene, so dass eine platzsparende Anordnung von

Lichtquelle und Detektoreinheit möglich ist. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass die Lichtquelle und das optische System derart ausgestaltet sind, dass die

Objektebene mit der Lichtquelle entlang der optischen Achse von der Ebene der

Detektoreinheit mit einem Versatz beabstandet ist. In diesem Fall handelt es sich bei der Objektebene und der Ebene der Detektoreinheit um zwei im Wesentlichen zueinander parallele Ebenen.

Für den Fall eines Spiegels als Umlenkelement tritt insbesondere der erste Anteil des Strahlenbündels bei beiden Durchgängen über dieselbe, z.B. die erste, der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma ein (z.B. erster Durchgang) bzw. aus (z.B. zweiter Durchgang). Der zweite Anteil des Strahlenbündels tritt dann bei beiden Durchgängen über die zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma ein (z.B. erster Durchgang) bzw. aus (z.B. zweiter Durchgang).

Ohne weitere Maßnahmen liegen in dieser Weiterbildung die Lichtquelle und der/die Fokuspunkt/e auf einer gemeinsamen, zur Neigungsachse senkrechten Geraden. Zu einer besseren räumlichen Trennung der/des Fokuspunkte/s von der Lichtquelle ist es wünschenswert, einen zusätzlichen Abstand zwischen der Lichtquelle und den/dem Fokuspunkt/en in einer zur Neigungsachse parallelen Richtung zu schaffen. Dies lässt sich mittels einer in den folgenden Ausgestaltungen beschriebenen Lösung erreichen

In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen ebenen Spiegel, dessen Spiegelebene in Bezug auf eine zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse verkippt ist, und wobei die

Verkippungsachse senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse ist. Bei der optischen Achse, der Neigungsachse und der Verkippungsachse handelt es sich also um drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems. Dadurch werden beide Fokuspunkte in die gleiche, zur Neigungsachse parallelen Richtung in der gemeinsamen Detektor- und Objektebene von der Lichtquelle weg verschoben, wodurch eine bessere räumliche Trennung zwischen Fokuspunkten und Lichtquelle ermöglicht wird.

Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit zu einer räumlichen Trennung zwischen Fokuspunkten und Lichtquelle in der zur Neigungsachse parallelen Richtung in der

Objektebene besteht in einer seitlichen Verschiebung der Lichtquelle selbst in Bezug auf eine zur optischen Achse parallelen und das Prozessfenster, das Messprisma und das Umlenkelement verbindenden, gedachten Gerade. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung handelt es sich daher um einen ebenen

Spiegel, wobei die Lichtquelle zu einem Schnittpunkt zwischen der Objektebene und einer zur optischen Achse parallelen und das Prozessfenster, das Messprisma und das Umlenkelement verbindenden, gedachten Gerade in einer zur Neigungsachse parallelen Richtung beabstandet ist. Insbesondere beträgt der Abstand in der Objektebene in der zur Neigungsachse parallelen Richtung zumindest 50 % der Summe des Ausmaßes der optischen

Detektoreinheit und der Lichtquelle in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Spiegel eine erste

Spiegelebene auf, die den ersten Anteil des Strahlenbündels, welcher über die erste geneigte Oberfläche eingetreten ist, spiegelt, und eine zweite Spiegelebene, die den zweiten Anteil des Strahlenbündels, welcher über die zweite geneigte Oberfläche eingetreten ist, spiegelt. Die erste Spiegelebene ist gegenüber der zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse und die zweite Spiegelebene um die Verkippungsachse in die dazu entgegengesetzte Richtung verkippt. Die

Verkippungsachse ist senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse. Es handelt sich also auch in dieser Ausgestaltung um drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems.

Der erste und der zweite Anteil des Strahlenbündels werden an auf in entgegengesetzte Richtungen um die Verkippungsachse verkippte Spiegelebenen gespiegelt. Durch die Verkippung der Spiegelebenen in zueinander entgegengesetzte Richtungen befinden sich die beiden Fokuspunkte in der Detektor- und Objektebene auf sich gegenüberliegenden, unterschiedlichen Seiten der Lichtquelle in Bezug auf die zur Neigungsachse parallele Richtung.

Auf diese Weise können die beiden Fokuspunkte jeweils mit einer separaten Kamera der optischen Detektoreinheit detektiert werden, wobei die beiden Kameras auf den unterschiedlichen Seiten der Lichtquelle angeordnet sind. Die beiden Fokuspunkte in dieser Weiterbildung sind dadurch in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung klar getrennt. Damit können der erste und der zweite Fokuspunkt stets identifiziert werden, d.h. es kann immer klar unterschieden werden, über welche der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen des Messprismas der jeweilige Anteil des Strahlenbündels gebrochen wurde. Anhand dieser Information ist mit dem erfindungsgemäßen Durchlicht- Refraktometer zusätzlich bestimmbar, ob das Prozessmedium einen Brechungsindex größer oder kleiner als das Messprisma hat. Zusätzlich zum Betrag ist also das

Vorzeichen der Brechungsindexdifferenz bestimmbar.

Dies ermöglicht einen Messbereich des Durchlicht-Refraktometers, der Werte oberhalb und unterhalb des Brechungsindexes des Messprimas umfasst. Bei dem eingangs erwähnten und in der DE 10 2007 05 07 31 B3 beschriebenen Durchlicht-Refraktometer mit einseitigem Prozesszugang und Doppelprisma ist dagegen nur die betragsmäßige Brechungsindexdifferenz bestimmbar, so dass der Messbereich hier prinzipiell durch den Brechungsindex des Messprismas beschränkt ist und daher wie darin beschrieben oftmals stark brechende Saphirgläser verwendet werden müssen. Die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht dagegen eine große Auswahl an Materialen für das Messprisma. Es können z.B. auch niedrig brechendere Gläser, wie beispielsweise leichter zu bearbeitende Quarzgläser, als Messprisma eingesetzt werden. In einer weiteren Ausgestaltung ist eine dem Prozessmedium abgewandte Vorderfläche, über die das Strahlenbündel in das Prozessmedium eintritt, nämlich eine Vorderfläche des Prozessfensters oder eine Vorderfläche des Messprismas, in Bezug auf eine zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse verkippt, wobei die Verkippungsachse senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse ist.

Insbesondere für den Fall, dass kein separates Prozessfenster eingesetzt wird, sondern dass das Strahlenbündel über das Messprisma in das Messmedium eintritt, wird in dieser Ausgestaltung eine sehr kompakte Möglichkeit der bereits beschriebenen Trennung der/des Fokuspunktes von der Lichtquelle in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung erreicht. Für diesen Fall der verkippten Vorderfläche des Messprismas bleibt die durch das unverkippte Messprisma definierte Neigungsachse von der Verkippung selbstverständlich unberührt, so dass die optische Achse, die Neigungsachse und die Verkippungsachse auch hier drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bilden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen Retroreflektor.

Insbesondere sind der Retroreflektor und das Messprisma derart ausgestaltet, dass der erste Anteil des Strahlenbündels bei dem ersten Durchgang über eine erste der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen eintritt, am Retroreflektor umgelenkt wird, und anschließend bei dem zweiten Durchgang über die zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen austritt. Der zweite Anteil des Strahlenbündels tritt dann beim ersten Durchgang über die zweite Oberfläche ein, wird am Retroreflektor umgelenkt und tritt beim zweiten Durchgang über die erste Oberfläche aus.

In einer Weiterbildung der Erfindung tritt das Strahlenbündel in dem zweiten Durchgang über eine Rückfläche des Messprismas in das Messprisma ein, wobei das

Umlenkelement unmittelbar angrenzend zu der Rückfläche angeordnet ist. Vorteilhaft an dieser Weiterbildung ist, dass durch die unmittelbare angrenzende Anordnung vom Umlenkelement zu dem Messprisma kaum Streuverluste auftreten.

Insbesondere ist das zur Rückfläche unmittelbar angrenzend angeordnete

Umlenkelement als zumindest eine auf die Rückfläche des Messprismas aufgebrachte reflektierende Schicht ausgebildet ist. Beispielsweise handelt es sich um eine oder zwei auf der Rückfläche des Messprismas aufgebrachte Spiegelschicht/en. Dadurch wird eine sehr einfache und kompakte Fertigung des Messprismas und des Umlenkelements ermöglicht.

In Kombination mit der Ausgestaltung des um die Verkippungsachse verkippten Spiegels ist es hier entweder möglich, nur die verspiegelte Rückfläche als verkippt auszugestalten, oder das Messprisma mit der verspiegelten Rückfläche insgesamt zu verkippen. In letzterem Fall bleibt die Definition der durch das unverkippte Messprisma definierte Neigungsachse selbstverständlich unberührt, so dass die optische Achse, die

Neigungsachse und die Verkippungsachse in jedem Fall ein kartesisches

Koordinatensystem bilden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Brechungsindex des Messprismas innerhalb des Messbereichs des Durchlicht-Refraktometers. Die Erfindung ermöglicht damit, wie vorstehend erwähnt, den Einsatz von unterschiedlichen Materialen für das Messprisma, ohne dass dadurch der Messbereich des Durchlicht-Refraktometers beschränkt ist. Insbesondere beträgt der Brechungsindex des Messprismas 1 ,3 bis 1 ,8.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Lichtquelle und dem optischen System ein Strahlteiler angeordnet. Der Strahlteiler dient dabei insbesondere der Trennung der von der Lichtquelle her (d.h. aus einer ersten Richtung) auf das optische System einfallenden von den aus einer dazu entgegengesetzten zweiten Richtung her auf das optische System einfallenden

Lichtstrahlen. Der Strahlteiler ist beispielsweise dazu eingerichtet, die Richtung eines (idealerweise größeren) Anteils der von der ersten Richtung auf den Strahlteiler einfallenden Strahlen unbeeinflusst zu lassen und einen (idealerweise größeren) Anteil der aus der zweiten Richtung auf den Strahlteil einfallenden Lichtstrahlen abzulenken.

Der Stahlteiler bewirkt daher beispielsweise eine Richtungsänderung des Anteils des vom optischen System fokussierten Strahlenbündels, nicht aber des Anteils der vom optischen System zu parallelisierenden Lichtstrahlen. Dadurch ist die Detektoreinheit in einer in Bezug zu der Objektebene um diese Richtungsänderung gedrehte Detektorebene angeordnet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die optische Detektoreinheit zumindest eine Kamera mit zumindest einer Zeile mit Pixeln, die entlang einer Achse angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse ist. Die Detektoreinheit erstreckt sich also in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene. Es ist auch möglich, dass die Kamera genau eine Zeile mit Pixeln umfasst. Durch eine derartige, minimale Auslegung der Detektoreinheit mit genau einer Kamerazeile werden zum einen Kosten gespart und die Genauigkeit erhöht, da mehr Pixel pro Kamerazeile verfügbar sind. Zum anderen führt dies zu einem schnelleren Auslesen und damit einer beschleunigten bzw. vereinfachten Auswertung und zu einem geringeren Platzbedarf.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die optische Detektoreinheit zumindest zwei Kameras mit jeweils zumindest einer Zeile mit Pixeln, die jeweils entlang einer zur optischen Achse senkrechten Achse derart angeordnet sind, dass das optische System den ersten Anteil des Strahlenbündels auf eine erste der beiden Kameras und den zweiten Anteil des Strahlenbündels auf eine zweite der beiden Kameras fokussiert. Die zumindest zwei Kameras sind dabei in einer zur optischen Achse im Wesentlichen senkrechten Ebene angeordnet. Beispielsweise umfasst das Durchlicht-Refraktometer genau zwei Kameras, die für den Fall eines als Spiegel ausgebildeten Umlenkelements in der Objektebene auf sich gegenüberliegenden Seiten der Lichtquelle angeordnet sind. Auch hier ist es möglich, die zumindest zwei Kameras mit jeweils genau einer Pixelzeile auszustatten, um die vorstehend erwähnten Vorteile zu erreichen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Lichtquelle eine LED. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Lichtquelle einen Laser.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Durchlicht-Refraktometer zumindest einen Temperatursensor auf, der dazu ausgestaltet ist, die Temperatur des Prozessmediums zu ermitteln. Die Regel-/Auswerteeinheit ist dazu ausgestaltet, eine aus dem

Brechungsindex ableitbare Prozessgröße des Prozessmediums zu bestimmen und die von dem/den Temperatursensor/en ermittelte Temperatur bei der Bestimmung der aus dem Brechungsindex ableitbaren Prozessgröße des Prozessmediums zu berücksichtigen. Bei der ableitbaren Prozessgröße des Prozessmediums handelt es sich um eine

Stoffkonzentration, beispielsweise die Zuckerkonzentration. Der Temperatursensor ragt beispielsweise in das Prozessmedium hinein, und/oder ist auf das Messprisma und/oder das Prozessfenster und/oder das Umlenkelement aufgebracht. Da der Brechungsindex von der Temperatur abhängt, ist die Berücksichtigung der von dem Temperatursensor ermittelten Temperatur vorteilhaft. Der Temperatursensor kann zum Beispiel als ein widerstandsbasiertes Thermometer wie beispielsweise ein Pt100 oder Pt1000, oder als ein thermospannungsbasiertes Thermometer bzw. Thermoelement, oder ein anderer aus dem Stand der Technik bekanntes Temperatursensor ausgestaltet sein.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometer, bei dem aus der Objektebene heraus Licht ausgesendet wird, ein parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt wird und das parallelisierte Strahlenbündel in einer Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium und das Messprisma in einem ersten Durchgang ein erstes Mal von dem Strahlenbündel durchquert wird, am Umlenkelement umgelenkt wird, das Messprisma und das Prozessmedium in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal von dem Strahlenbündel durchquert wird, das Strahlenbündel in einer zur Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium austritt, mittels des optischen Systems auf die optische Detektoreinheit fokussiert wird, und von der Regel-/Auswerteeinheit der Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes des Strahlenbündels bestimmt wird.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Lichtquelle eine LED verwendet, wobei bei der Bestimmung der Position des zumindest einen Fokuspunktes die Frequenz und/oder Phase einer Abbildung einer periodischen Struktur eines Bauelements der LED- Lichtquelle verwendet wird. Insbesondere wird vorteilhaft mittels der Verwendung der Frequenz und/oder Phase der periodischen Abbildung ein Signal-/Rauschverhältnis vergrößert.

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 zeigt:

Fig. 1 : Einen Strahlengang einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen

Durchlicht-Refraktometers;

Fig. 2a: Einen Strahlengang einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen D u rch I i cht- Ref ra ktom ete rs ; Fig. 2b: Eine Ausgestaltung des Messprismas und des Umlenkelements in der zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;

Fig. 3a, 3b Ausgestaltungen eines Messprimas eines erfindungsgemäßen Durchlicht- Refraktometers;

Fig. 3c: Eine weitere Ausgestaltung eines Messprimas und einer optischen

Detektoreinheit eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;

Fig. 4 a-c : Verschiedene perspektivische Ansichten einer weiteren Ausgestaltung eines Messprismas eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers; und Fig. 5: Eine Abbildung eines periodischen Bauelements der Lichtquelle in einer

Ausgestaltung der Lichtquelle des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Strahlengangs einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers. Hierbei ist eine LED-Lichtquelle 1 in der Objektebene OE auf einer Einstrahlseite angeordnet. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht wird von dem optischen System 2 entlang der optischen Achse z parallelisiert, welche hier entlang der Horizontalen verläuft. Das optische System 2 ist hier aufgrund der einfacheren Darstellung als eine einzige Linse dargestellt, kann aber wie vorstehend erwähnt ein Linsensystem aus mehreren Linsen, beispielsweise drei, umfassen.

Anschließend tritt das parallelisierte Strahlenbündel SB durch ein Prozessfenster 3 in das Prozessmedium PM ein. Bei einem ersten Durchgang findet eine erste Brechung an der Prozessmedium PM- Messprisma 4 Grenzfläche statt. Anschließend wird das

Strahlenbündel SB an einem angrenzend zur Rückfläche des Messprismas 4

angeordneten Umlenkelement 5 gespiegelt, so dass das Strahlenbündel SB in einem zweiten Durchgang eine weitere Brechung an der Messprisma 4- Prozessmedium PM Grenzfläche erfährt, um dann über das Prozessfenster 3 aus dem Prozessmedium PM auszutreten. Schließlich wird mit dem optischen System 2 das Strahlenbündel SB auf zwei verschiedene Fokuspunkte FP1 ,FP2 in der in dieser Ausgestaltung mit der

Objektebene OE zusammenfallenden Detektorebene fokussiert.

Das Messprisma 4 umfasst hier zwei gegeneinander im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse z geneigte Oberflächen OF1 , OF2 und ist also als ein Doppelprisma ausgestaltet. Die Neigungsachse x, um welche die beiden ebenen Oberflächen OF1 ,OF2 in Bezug zu einer zur optischen Achse z senkrechten Ebene geneigt sind, zeigt hier in die Bildfläche hinein.

Ein erster Anteil des Strahlenbündels (durchgezogene Linie) SB1 tritt dabei über die erste Oberfläche OF1 in das Messprisma 4 ein, und ein zweiter Anteil des Strahlenbündels (gestrichelte Linie) SB2 tritt dabei über die zweite Oberfläche OF2 in das Messprisma 4 ein.

Wie bereits erwähnt ist es auch möglich, das Messprisma 4 an das Prozessfenster 3 angrenzend anzuordnen und/oder die gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 an einer Rückenfläche 41 des Messprismas 4 anzuordnen, solange die gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 , OF2 mediumberührend sind und wie erforderlich die Grenzfläche Prozessmedium PM -Messprisma 4 vorliegt. Das in Fig. 1 in einer Schnittansicht dargestellte Messprisma 4 ist auch in Fig. 3a in einer perspektivischen Ansicht näher gezeigt. Alternativ zu dem in Fig. 3a gezeigten Winkel kleiner 180° zwischen den beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass wie in Fig. 3b gezeigt die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 einen Winkel größer als 180° bilden.

Beim ersten Übergang von Prozessmedium PM ins Messprisma 4 findet eine erste, vom Brechungsindex des Prozessmedium PM abhängige Brechung statt. Beim zweiten Übergang von Messprisma 4 ins Prozessmedium PM erfährt das reflektierte Licht eine erneute vom Brechungsindex des Prozessmediums PM abhängige Brechung, jeweils für beide Anteile des Strahlenbündels SB1 , SB2 an derselben Oberfläche OF1 ,OF2. Diese zweite Brechung verstärkt den Effekt der ersten Brechung, sodass im Vergleich zu einer einfachen Brechung eine doppelt so große Winkeländerung bei gleichem Neigungswinkel a und Brechungsindex des Messprismas 4 erzielt wird.

Das Umlenkelement 5 ist hier vorteilhaft als eine verspiegelte Rückfläche 41 des

Messprismas 4 ausgebildet, d.h. eine verspiegelte Schicht ist direkt auf die Rückfläche aufgebracht. Der Vorteil dieser Variante ist zum einen die einfache Fertigung, zum anderen gibt es bei Messprismen 4 wie in Fig.3a gezeigt einen zentralen Bereich des Messprismas 4, aus dem kein brauchbares Messsignal gewonnen werden kann. Da dieser Bereich schrumpft, je kleiner die Distanz zwischen Messprisma 4 und

Umlenkelement 5 ist, liegt bei der unmittelbar angrenzenden Anordnung eine maximale Signalausbeute vor. Für den Fall eines ebenen Spiegels werden die Fokuspunkte FP1 ,FP2 auf eine mit der Lichtquelle 1 gemeinsame Gerade in der Detektor- und Objektebene OE abgebildet, die senkrecht zu der Neigungsachse x ist, d.h. parallel zu der hier vertikal verlaufenden y- Achse. Da die beiden Fokuspunkte FP1 ,FP2 auf einer gemeinsamen und auf einer zur vertikal verlaufenden y-Richtung parallelen Gerade liegen, kann in dieser Ausgestaltung eine optische Detektoreinheit 6 mit nur einer Kamera 91 , ggf. mit nur einer Pixelzeile PZ1 verwendet werden.

Je nach Lage des Brechungsindex des Prozessmediums PM in Bezug zu dem

Messprisma 4 laufen die beiden Strahlenbündel SB1 ,SB2 entweder (wie hier dargestellt) über Kreuz oder nicht. Damit ist nicht weiter erkennbar, ob der obere der beiden

Fokuspunkte FP2,FP1 über die erste Oberfläche OF1 oder, wie in diesem

Ausführungsbeispiel dargestellt die zweite Oberfläche OF2 gebrochen wurde.

Um zusätzlich vorteilhaft eine räumliche Trennung in der Objektebene OE in Richtung der Neigungsachse x zwischen der LED-Lichtquelle 1 und den Fokuspunkten FP1 ,FP2 zu erreichen ist gegebenenfalls entweder die verspiegelte, ebene Rückfläche 41 des Messprismas 4 als um die vertikale Verkippungsachse y verkippt ausgebildet, oder das ganze Messprisma 4 ist verkippt. Alternativ oder zusätzlich ist die Lichtquelle 1 selbst in der Objekt- und Detektorebene OE in die Neigungsrichtung x mit einem Versatz verschoben.

Eine andere Möglichkeit stellt die Verkippung einer Vorderfläche, über die das

Strahlenbündel SB in das Prozessmedium PM eintritt, dar. Bei der Vorderfläche handelt es sich entweder um eine Vorderfläche des Prozessfensters 3 oder über eine

Vorderfläche des Messprismas 4. Letzteres ist der Fall, wenn kein separates

Prozessfenster 3 verwendet wird und das Strahlenbündel SB wie vorstehend erwähnt die Anordnung Messprisma 4-Prozessmedium PM -Umlenkelement 5- Prozessmedium PM- Messprisma 4 durchläuft. Der Abstand der beiden Fokuspunkte FP1 ,FP2 in der vertikal verlaufenden y-Richtung ist ein Maß für die betragsmäßige Brechungsindexdifferenz zwischen Prozessmediums PM und Messprisma 4, welche von der Regel-/Auswerteeinheit 7 bestimmt wird. Die Regel- /Auswerteeinheit 7 dient der Regelung und/oder Auswertung der von der optischen Detektoreinheit 6,91 ,92 (optische Detektoreinheit 6 siehe Fig. 2) erfassten Signale, und/oder der LED-Lichtquelle 1 sowie gegebenenfalls der von den/dem

Temperatursensor/en 1 1 ermittelten Temperaturen.

Eine Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist mit dem in Fig. 3c dargestellten Messprisma 4 und der optischen Detektoreinheit 6 gezeigt. Hier wird eine räumliche Trennung von Lichtquelle 1 und optischer Detektoreinheit 6 in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung, hier x-Richtung, dadurch gelöst, dass die verspiegelte Rückfläche 41 des Messprismas 4 zwei verschiedene Spiegelebenen SE1 ,SE2 aufweist, die jeweils in unterschiedliche Richtungen um eine Verkippungsachse y verkippt sind. Die zur optischen Achse z und zur Neigungsachse x senkrechte

Verkippungsachse y verläuft hier in vertikaler Richtung. Dadurch treffen der erste Anteil des Strahlenbündel SB1 und der zweite Anteil des Strahlenbündels SB2 auf

Spiegelflächen SE1 , SE2, deren Verkippung sich im Vorzeichen unterscheidet. Somit werden in der Detektor- und Objektebene OE die beiden Strahlenbündel SB1 ,SB2 in einer zu der Neigungsachse x parallelen Richtung auf unterschiedliche Seiten der Lichtquelle 1 abgebildet.

Auf diese Weise können die beiden Fokuspunkte FP1 ,FP2 jeweils mit einer separaten Kamera 91 ;92 detektiert werden, welche jeweils hier als eine Pixelzeile PZ1 ;PZ2 ausgebildet sind. Somit kann stets unterschieden werden , an welcher der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 der jeweilige Fokuspunkt FP1 ,FP2 gebrochen wurde, bzw. ob die beiden Teilstrahlen über Kreuz verlaufen oder nicht. Dies ermöglicht ein Durchlicht-Refraktometer mit einem Messbereich, der Werte oberhalb und unterhalb des Brechungsindexes des Messprimas 4 umfasst, und damit eine größere Freiheit bei der Wahl des Materials für das Messprisma 4. Auch hier handelt es sich um eine verspiegelte Rückfläche 41 , bei der die beiden gegeneinander verkippten

Spiegelebenen SE1 ,SE2 als verspiegelte Schichten auf die Rückfläche aufgebracht sind. Ein Strahlengang einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht- Refraktometers ist in Fig. 2a, b näher dargestellt. Im Unterschied zu dem als Spiegel ausgebildeten Umkehrelement 5 der vorherigen Ausgestaltung ist dieses nun als Retroreflektor ausgebildet. Retroreflektoren werden bevorzugt verwendet, da sie sehr unkritisch in der Justage sind. Bei Retroreflektoren findet eine wie in Fig. 2b dargestellte Umlenkung statt, bei der ein Strahl, der schräg von oben über die erste Oberfläche OF1 des Messprismas 4 einläuft, auch schräg nach oben austritt. Zusätzlich wird bei einem Retroreflektor der Eintrittspunkt beim Austritt punktsymmetrisch um die Mitte des Retroreflektors gespiegelt, wodurch die zweite Brechung auf der zweiten Oberfläche OF2 stattfinden kann. Dadurch wird die räumliche Trennung von Lichtquelle 1 und optischer Detektoreinheit 6 erschwert bzw. kann nicht mit den vorstehend genannten Lösungen erfolgen. Daher ist eine von der Objektebene OE getrennte Detektorebene bevorzugt. Dies wird durch den in Fig. 2a gezeigten zusätzlichen Strahlteiler 8 erreicht. Der Strahlteiler 8 lässt die Richtung eines Anteils der von der Einstrahlseite auf den Strahlteiler 8 einfallenden Strahlen unbeeinflusst und lenkt einen Anteil der aus dem Prozessfenster 3 ausgetretenen und von dem optischen System 2 fokussiertem

Lichtstrahlen ab. Dadurch ist wie in Fig. 2a gezeigt die optische Detektoreinheit 6 in einer in Bezug zu der Objektebene OE um diese Richtungsänderung gedrehte Detektorebene angeordnet.

Eine weitere Ausgestaltung des Messprismas 4 ist in verschiedenen perspektivischen Ansichten in Fig. 4a-c dargestellt. Hierbei handelt es sich um den bereits erwähnten Fall, dass das Messprisma 4 gleichzeitig als Fenster zu dem Prozessmedium PM dient, so dass kein separates Prozessfenster verwendet wird. Die Rückfläche (in Bezug auf die Richtung des Strahlenbündels SB) des Messprismas 4 ist dabei ähnlich wie die

Vorderfläche des in Fig. 3b dargestellten Messprismas 4 ausgestaltet. Die beiden auf der Rückflächen des Messprismas 4 angeordneten medienberührenden Oberflächen OF1 ,OF2 weisen einen Neigungswinkel a von ca. 18° auf. Gleichzeitig ist die

Vorderfläche des Messprismas 4, über die das Strahlenbündel SB in das Prozessmedium PM eintritt, in Bezug auf eine zur optischen Achse z senkrechten Ebene um eine

Verkippungsachse y verkippt. Der Verkippungswinkel ß beträgt dabei insbesondere weniger als 10°, vorzugsweise weniger als 5°. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Abbildung AB eines Bauelements 10 (siehe auch Fig.1 ) der LED-Lichtquelle 1 zur Bestimmung der Position des zumindest einen Fokuspunktes verwendet. Durch die Elektrodenstruktur der LED-Lichtquelle 1 wird auf einfache und kostengünstige Weise eine periodische Struktur gebildet, welche in Fig. 5 gezeigt ist, hier als Beispiel die Abbildung AB der LED„SYNIOS P2720, KY DMLS31 .23“ des Herstellers Osram.

Die Positionsbestimmung des Fokuspunktes FP1.FP2 erfolgt unter Verwendung der Abbildung AB der periodischen Struktur in zwei Schritten. Zunächst erfolgt eine grobe Bestimmung der Position des LED Bildes. Die Positionsbestimmung sollte eine

Genauigkeit von etwa einer halben Periode erreichen. Bei der in Fig.4 gezeigten LED beträgt die Periode beispielsweise 100 pm. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit 50 gm bzw. 7 Pixel für eine Kamera 91 ,92 mit einer Pixelgröße vom 7 pm betragen muss.

Anschließend wird der Bereich der Kamera 91 ,92 mit dem LED Bild ausgeschnitten und durch einen Filter derart bearbeitet, dass nur die Raumfrequenzen der LED-Struktur (1/100pm) übrigbleiben. Auf diese Weise wird der Einfluss von Streulicht und

Kamerarauschen sehr stark reduziert. Anhand der Phasenlage der Abbildung AB der periodischen Struktur wird somit vorteilhaft eine exakte Bestimmung der Position des Fokuspunktes FP1.FP2 ermöglicht, und somit die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers weiter erhöht.

Bezugszeichen und Symbole

1 Lichtquelle

2 Optisches System 3 Prozessfenster

4 Messprisma

41 Rückfläche des Messprismas

5 Umlenkelement

6 optische Detektoreinheit 7 Regel-/Auswerteeinheit

8 Strahlteiler

91 ,92 erste und zweite Kamera

10 Bauelement

1 1 Temperatursensor

OE Objektebene

SB Strahlenbündel

SB1 erster Anteil des Strahlenbündels

SB2 zweiter Anteil des Strahlenbündels z optische Achse x Neigungsachse y Verkippungsachse

PM Prozessmedium

OF1 erste Oberfläche OF2 zweite Oberfläche

SE1 erste Spiegelebene SE2 zweite Spiegelebene

FP1 ;FP2 Fokuspunkte

PZ1 ;PZ2 Pixelzeilen a Neigungswinkel ß Verkippungswinkel

AB Abbildung