DE10034520A1

DE10034520A1 - Meßsonde

Info

Publication number: DE10034520A1
Application number: DE2000134520
Authority: DE
Inventors: Alexander Wannenwetsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-15
Filing date: 2000-07-15
Publication date: 2002-01-24
Also published as: AU2001276319A1; WO2002006823A1

Abstract

Vorgeschlagen wird als Meßsonde eine als Hohlnadel ausgeführte Einstechnadel mit einem Sensor zur Erfassung oder Messung von Gasgehalten von in einem abgeschlossenen Volumen befindlichen Flüssigkeiten, z. B. in Verpackungen, wibei das eine Ende der Hohlnadel (1) als Kegel (2) oder andersartig spitz zulaufend geformt ist und in geringem Abstand hinter dem verjüngten Ende im Bereich konstanten Querschnitts mehrere Öffnungen (3) angebracht sind, und im Innenraum der Hohlnadel koaxial ein Hohlprofil (5) verschiebbar ist, an dessen kegelnahmem Ende ein Sensor (4) angebracht ist, und wobei ein am Hohlprofil (5) radial befestigter Bolzen (7) in einer in die Wandung der Hohlnadel (1) hineingefrästen Führungs-Nut (4) axial verschiebbar geführt wird und eine an der Außenfläche der Hohlnadel angebrachte Portionierhilfe (8) die Einstechtiefe der Hohlnadel (1) reproduzierbar festlegt. Außerdem sind die Leitungen (9) zur Übertragung der Meßsignale durch das offene Ende des Hohlprofils nach außen geführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine als Hohlnadel ausgeführte Meßson de bestehend aus einer Einstechnadel mit einem Sensor zur Erfassung oder Messung von Gasgehalten von in einem abgeschlossenen Volu men befindlichen Flüssigkeiten, z. B. in Verpackungen, sowie Verfahren zu ihrer Anwendung in Messungen.

Die Messung von Gasgehalten mit Sensoren ist ein allgemein bekann tes und weit verbreitetes Verfahren. Dabei sind die verwendeten Senso ren im allgemeinen in die Fläche des einen Endes einer Meßsonde ein gebaut und zwar so, dass die Sensorfläche, mit der die Messwerte auf genommen werden, senkrecht zur Längsachse an der Sonde angeord net ist. Im Verlauf einer Messung muss dann die Meßsonde so in die zu vermessende Flüssigkeit eingebracht werden, dass die Sensorfläche möglichst gleichmäßig vom Medium umgeben ist bzw. möglichst konti nuierlich und turbulent umspült wird. Durch die einheitliche Vorgehens weise bei den Messungen und die standardisierte Konstruktion der Sonde wird eine repräsentative Mittelwertbildung und eine reproduzier bare Messung sichergestellt.

Im allgemeinen werden Gasgehalte in Flüssigkeiten gemessen, indem für die Messung eine definierte Menge oder ein definiertes Volumen der Flüssigkeit entnommen wird oder indem in eine strömende Flüssigkeit eine Meßsonde eingeführt wird.

Aus dieser Vorgehensweise ergeben sich einige schwerwiegende Nachteile. Im ersten Fall besteht wegen der zeitlichen Verzögerung zwischen Probenentnahme und Messung die Gefahr, dass das Mess ergebnis durch Entweichen oder Aufnahme von Gas aus der Flüssigkeit verfälscht wird. Im zweiten Fall wird die Messung in bewegter Flüssig keit durchgeführt, damit durch die Turbulenz der Strömung alle während der Dauer der Messung auftretenden Messwertschwankungen eine zeitliche Mittelung erfahren. Beide Anwendungsfälle haben den ge meinsamen Nachteil, dass sich die Vorgehensweise mit den üblicher weise verwendeten und verfügbaren Meßsonden nicht auf die Bestim mung von Gasgehalten in abgeschlossenen Flüssigkeitsvolumina er weitern bzw. übertragen lässt.

An einer solchen Anwendung besteht ein erhebliches Interesse, z. B. in der Lebensmittel-Industrie. Dort ist zu erfassen, welche Anteile be stimmter Gase, wie z. B. Sauerstoff oder Luft, sich nach dem Evakuie ren und Verschließen in der Ware, z. B. einer Flüssigkeit wie Milch oder Fruchtsaft, innerhalb der Verpackung befinden. Aus Gründen der Halt barkeit von Lebensmitteln wird angestrebt, den Sauerstoffgehalt in Ver packungen gleichbleibend gering zu halten, um die Zersetzung be stimmter Nahrungsbestandteile, z. B. der Vitamine, zu verhindern, und das Wachstum aerober Bakterien zu unterbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfü gung zu stellen, mit der Gasgehalte in Flüssigkeiten, die sich innerhalb abgeschlossener Volumina, wie z. B. Verpackungen, befinden, ohne zeitliche Verzögerung und unter zeitlicher Mittelung von Messwert schwankungen sehr präzise und reproduzierbar genau bestimmbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Meßsonde beste hend aus einer als Hohlnadel ausgeführten Einstechnadel mit einem Sensor zur Erfassung und Messung von Gasgehalten von in einem ab geschlossenen Volumen befindlichen Flüssigkeiten, z. B. in Verpackun gen, wobei das eine Ende als Kegel oder andersartig spitz zulaufend geformt ist, in geringem Abstand hinter dem verjüngten Ende im Be reich des konstanten Querschnitts Öffnungen angebracht sind, im In nenraum der Hohlnadel koaxial ein Hohlprofil sich befindet, das Hohl profil im Innenraum der Hohlnadel koaxial verschiebbar ist, am kegel nahen Ende des Hohlprofils ein Sensor angebracht ist, das gegenüber liegende Ende des Hohlprofils offen bleibt, und im Inneren des Hohlpro fils die Leitungen zur Übertragung der Meßsignale vom Sensor durch das offene Ende nach außen geführt sind. Weiterhin wird die Bewegung der Flüssigkeit und damit die geforderte Turbulenz durch die Bewegung eines Hohlprofils im Innenraum der Nadel erzeugt nach Art einer Kol benbewegung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das eine Ende der Hohlnadel aus einem massiven Kegel gefertigt ist, wodurch auch dicke und sogar mehrlagige Materialien durchstoßen werden können. Aus der Form des Kegels, wobei besonders der Kegelwinkel, d. h. die Steigung des Ke gels, eine wichtige Rolle spielt, ergibt sich der weitere Vorteil, dass in günstigen Fällen die genannten Materialien nicht einreißen. Falls si chergestellt ist, dass das Material ohne Einreißen durchstoßen wird, umschließt es die Außenwandung der Hohlnadel formschlüssig. Mit der so erzielten Dichtigkeit wird als weiterer Vorteil erreicht, dass beim wei teren Hineinschieben der Einstechnadel kein weiteres Gas mit in die Flüssigkeit eingeschleppt wird oder aber nach außen entweicht. Da durch wird als wichtigstes Ziel die Messgenauigkeit wesentlich erhöht und die Reproduzierbarkeit der Messungen sichergestellt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung betrifft das Vorgehen während der eigentlichen Messung. Am kegelnahen Ende der Einstechnadel sind im Bereich des konstanten Querschnitts Öffnungen angebracht. Diese werden erst beim Zurückziehen des Hohlprofils von Flüssigkeit durch strömt, weil das von der Sensorfläche geschlossene Hohlprofil zunächst an der Basisfläche des Kegels anliegt und mit seiner Außenfläche die Öffnungen in der Hohlnadel-Wandung verschließt. Erst beim Zurück ziehen des Hohlprofiles nach außen kann seine Bewegung wie ein Kol ben wirken und dabei ein Sog verursachen. Durch den Sog entstehen in der Flüssigkeit beim Durchströmen der Öffnungen Turbulenzen, die einen Ausgleich von evtl. vorhandenen lokalen Konzentrationsunter schieden des Gases in der Flüssigkeit bewirken und fördern. Auch die ser Vorteil kommt der Reproduzierbarkeit der Messungen zugute, weil durch die turbulente Überströmung der Sensoroberfläche die evtl. vor handenen lokalen Unterschiede in der Gaskonzentration innerhalb des vermessenen Flüssigkeitsvolumens als Messwerte zeitlich gemittelt erfasst werden und die Turbulenzen eine verbesserte Messwerterfas sung durch die Sensoroberfläche gestatten.

Drei weitere Merkmale stellen sich als Vorteil für die Anwendung der Meßsonde dar. Zum einen befindet sich im Innenraum der Hohlnadel koaxial ein Hohlprofil, das koaxial auch verschiebbar ist und zum ande ren ist am kegelnahen Ende des Hohlprofils ein Sensor angebracht. Durch Verschieben des Hohlprofils kann vorteilhafterweise der Sensor in verschiedene Positionen gebracht werden. Das ist eine wesentliche Neuerung gegenüber Meßsonden, in denen die Sensoroberfläche orts fest montiert ist, also nur zusammen mit einer Bewegung der Sonde positionierbar ist.

Das der Sensoroberfläche gegenüberliegende Ende des Hohlprofils bleibt vorteilhaft offen, damit eine Öffnung zur Verfügung steht, durch die die elektrischen Leitungen zur Übertragung von Meßsignalen, die vorteilhafterweise im Inneren des Hohlprofils von Sensor zum offenen Ende hingeführt sind, nach außen gelangen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Un teransprüchen.

Besonders zwei weitere konstruktive Ausgestaltungen sind als Vorteil anzusehen. Sie verhindern das Auftreten von Totvolumina, die in der Regel mit Gas gefüllt sind, das die Messergebnisse verfälscht, wenn es in das zu vermessende Flüssigkeitsvolumen eingeschleppt wird. Zum einen liegt die Sensoroberfläche, die sich an einem Ende des Hohlpro fils befindet, im Inneren der Hohlnadel an der Basisfläche des Kegels so dicht plan an, wenn das Hohlprofil sich in der inneren Position befin det, dass kein Totvolumen übrig bleibt. Zum anderen liegt die Außenflä che des Hohlprofils zwar verschiebbar, aber dennoch formschlüssig an der Innenfläche der Hohlnadel an. Damit wird auch zwischen den bei den gegeneinander verschiebbaren Flächen das Auftreten von Totvo lumina verhindert.

Ein weiteres konstruktives Detail der beschriebenen Ausführungsform besteht darin, dass nach dem Einstechen der Hohlnadel bis zum Errei chen der Endposition schließlich das innere Hohlprofil zurückgezogen werden kann. Dadurch wird die Sensoroberfläche erst dann von der Flüssigkeit umströmt, wenn und nachdem die Endposition der Hohlna del als endgültige und reproduzierbare Einstechtiefe erreicht ist. Damit ist ein weiterer Vorteil der Erfindung realisiert, da die Einstechtiefe durch eine an der äußeren Wandung der Hohlnadel angebrachte Posi tionierhilfe festgelegt ist, und somit als definierte Strecke reproduzierbar ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die außen auf der Hohlnadel angebrachte Positionierhilfe als Griff geformt für die bequeme Handhabung der Sonde während der Messungen.

Das führt auf weitere Ausführungsformen, die sich als Vorteil für die Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit darstellen. Durch die bereits erwähnte Bewegung des Hohlprofils von der inneren Endposition in die äußere Endposition über eine definierte Strecke hinweg wird ein exakt reproduzierbares Messvolumen festgelegt, weil die durch die Sensor oberfläche gebildete Querschnittsfläche konstant bleibt. Die Strecke, über die das Hohlprofil bewegt wird, ist konstruktiv nach außen durch einen Anschlag festgelegt. Insgesamt ist also für jede Messung das Flüssigkeitsvolumen vor der Sensoroberfläche durch die fest definierte Ausziehlänge des Hohlprofils exakt reproduzierbar gemacht.

Als ein weiterer Vorteil ist zu nennen, dass der Anschlag aus einem außen an dem Hohlprofil radial befestigten, z. B. angeschweißten oder eingeschraubten, Bolzen besteht, der in einer Nut in Längsrichtung pa rallel zur Längsachse der Hohlnadel geführt ist. Die Nut ist dabei in vor teilhafter Weise aus der Wandung der Hohlnadel herausgefräst, um eine möglichst einfache und kostengünstige Fertigung sicherzustellen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Nut so ausgeführt, dass ihre Tiefe durch die gesamte Dicke der Wandung hindurchgeht, so dass die Wandung durchbrochen und die Nut als Füh rungsschlitz ausgebildet ist. Dadurch ist der am Hohlprofil befestigte Bolzen bei angemessener Länge von außen zugänglich gemacht für eine einfache und unkomplizierte Handhabung des Anschlags.

Bei einer zu erwähnenden Fortentwicklung der Erfindung ist die Füh rung und die Einbaulage des Hohlprofils in der Hohlnadel durch einen als Bajonett-Verschluss ausgebildeten Anschlag festgelegt und gesi chert. Dabei ist die Führungsnut an der hinteren Endposition des ver schiebbaren Hohlprofils abgewinkelt ausgebildet, z. B. mit einem 90°-Winkel. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass durch den ab gewinkelten Verlauf der Führungs-Nut das Hohlprofil während der Mes sung in seiner äußeren Position gesichert und festgestellt ist. Das wür de sich sonst sehr störend auf den Verlauf der Messung auswirken. Gleichzeitig kann durch Variation der Länge des gerade verlaufenden Teils der Führungs-Nut das einzusaugende Messvolumen vorgegeben werden.

Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung sind vorteilhafterweise der Anschlag und der Bajonett-Verschluss durch eine Z-förmige gefräste Nut funktionell miteinander kombiniert. Die Z-Form entspricht einem doppelten, zweifach abgewinkelten Bajonett-Verschluss, wobei die Füh rungs-Nut an dem der kegelförmigen Spitze entgegengesetzten Ende der Hohlnadel zur Umgebung hin geöffnet ist. Dadurch kann das im Innenraum der Hohlnadel sich befindende Hohlprofil entlang dem Ver lauf der Führungs-Nut ganz aus der Hohlnadel herausgezogen, also demontiert werden. Damit ist erreicht, dass der Innenraum der Hohlna del und die Sensoroberfläche leicht zugänglich ist für Wartungs- und Reparaturarbeiten oder für eine Reinigung. Durch die Länge des inne ren, geradlinig verlaufenden Teils der Z-förmigen Führungs-Nut ist die Strecke konstruktiv festgelegt, um die das Hohlprofil bis zum An schlagspunkt verschiebbar ist. Daraus ergibt sich das eingesogene Messvolumen. Durch den insgesamt abgewinkelten Verlauf der Füh rungs-Nut ist ein direktes Herausgleiten oder Herausfallen des Hohlpro fils aus der Hohlnadel verhindert. Dies ist ein Vorteil für die sichere Handhabbarkeit der Meßsonde. Durch diese konstruktive Ausgestal tung der Führungs-Nut ist vor allem der empfindliche Sensor, der im Inneren der Hohlnadel geführt ist, vor Beschädigung geschützt.

Im Ergebnis können mittels der mit einem Sensor versehenen Ein stechnadel Gasgehalte in Flüssigkeiten mit hoher Präzision bestimmt werden, die sich in einem abgeschlossenen Volumen befinden, z. B. in geschlossenen Verpackungen nach dem Befüllen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand ei ner Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert ist.

Sie zeigt eine teilweise in Querschnittsdarstellung gehaltene perspekti vische Ansicht. Die beschriebene Einstechnadel besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einer Hohlnadel (1), deren eines Ende als Kegel oder andersartig spitz zulaufend geformt ist (2). In geringem Ab stand hinter diesem verjüngten Ende sind in einem Bereich mit konstan tem Querschnitt mehrere Öffnungen (3) angebracht. An dem zur Spitze entgegengesetzten Ende befindet sich eine Führungs-Nut (4). Diese ist in der Zeichnung als die erwähnte Z-förmige Ausführung dargestellt, die gleichzeitig als Anschlag dient für den an das Hohlprofil (5) radial befes tigten Bolzen (7). Dieser sorgt dafür, dass die Sensoroberfläche (6) am inneren Ende des Hohlprofils immer um eine genau definierte Wegstre cke nach außen verschoben wird und dabei die Öffnungen (3) freigibt. Erst dann kann die umgebende Flüssigkeit an die Sensoroberfläche gelangen. Als weitere Einzelheit der dargestellten Ausführungsform ist die Positionierhilfe (8) zu erkennen, bis zu der die Einstechnadel in das Wandmaterial der Verpackung hineingestoßen wird. Damit ist sicherge stellt, dass sich bei der Messung die Sensoroberfläche immer in einem definierten Abstand von der Durchstichstelle in der Verpackung entfernt befindet. Als zusätzliches Detail ist gezeigt, wie die Leitungen zur Über tragung der Meßsignale (9) durch das offene Ende des Hohlprofils nach außen geführt sind.

Claims

1. Meßsonde bestehend aus einer als Hohlnadel ausgeführten Ein stechnadel mit einem Sensor zur Erfassung oder Messung von Gas gehalten von in einem abgeschlossenen Volumen befindlichen Flüssig keiten, z. B. in Verpackungen,
dadurch gekennzeichnet, dass
das eine Ende als Kegel oder andersartig spitz zulaufend geformt ist,
in geringem Abstand hinter dem verjüngten Ende im Bereich des kon stanten Querschnitts Öffnungen angebracht sind,
im Innenraum der Hohlnadel koaxial ein Hohlprofil sich befindet,
das Hohlprofil im Innenraum der Hohlnadel koaxial verschiebbar ist,
am kegelnahen Ende des Hohlprofils ein Sensor angebracht ist,
das gegenüberliegende Ende des Hohlprofils offen bleibt und
im Inneren des Hohlprofils die Leitungen zur Übertragung der Meß signale vom Sensor durch das offene Ende nach außen geführt sind.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in seiner inneren Anschlagsposition flächig an der inneren Ba sisfläche des kegelförmigen Endes der Hohlnadel anliegt.

3. Meßsonde nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil an der Innenfläche der Hohlnadel formschlüssig anliegend geführt wird.

4. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Verschiebungsweg des Hohlprofils nach außen durch einen Anschlag begrenzt wird.

5. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag aus einem außen an dem Hohl profil radial befestigten, z. B. angeschweißten oder eingeschraubten Bolzen besteht, der in einer Nut in Längsrichtung geführt wird, die aus der Wandung der Hohlnadel herausgefräst ist.

6. Meßsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut durch die gesamte Dicke der Wandung hindurch geht, so dass die Wandung durchbrochen und die Nut als Führungsschlitz aus gebildet ist.

7. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung und Einbaulage des Hohlprofils in der Hohlnadel durch einen als Bajonettverschluß ausgebildeten An schlag festgelegt und gesichert ist.

8. Meßsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag und der Bajonettverschluß durch eine Z-förmige gefräste Nut funktionell miteinander kombiniert sind.

9. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenfläche der Hohlnadel in einem definierten Abstand von der Kegelspitze eine Positionierhilfe ange bracht ist.

10. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Positionierhilfe als Griff geformt ist.

11. Verfahren zur Erfassung oder Messung von Gasgehalten in Flüs sigkeiten, die sich in einem abgeschlossenen Volumen befinden, z. B. in Verpackungen, mittels einer Meßsonde nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßsonde durch das die Flüssigkeit umgebende feste Wandmaterial hindurchge stochen wird, bis sie in die Flüssigkeit hineinragt und anschließend das Hohlprofil nach außen um eine bestimmte Strecke verschoben wird, bis die angebrachten Öffnungen durchströmbar sind und eine Messung durchführbar wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßsonde mit einer definierten Länge bis zum Anstoßen der Positionierhilfe an das feste Wandmaterial in die Flüssigkeit hineingestoßen wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil nach dem Hineinstoßen der Meßsonde in die Flüssigkeit um einen definierten, durch einen An schlag begrenzten Weg, nach außen bewegt wird.