DE102006004916B3 - Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen weist wenigstens einen in bzw. an einem Gehäuse angeordneten Sender und wenigstens einen Empfänger für optische Strahlung und eine von dem wenigstens einen Sender und dem wenigstens einen Empfänger beabstandete, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Vorrichtung innerhalb des Stoffes angeordneten Umlenkeinrichtung zum Umlenken der optischen Strahlung von dem wenigstens einen Sender zu dem wenigstens einen Empfänger auf. Der Abstand der Umlenkeinrichtung zu dem wenigstens einen Sender und/oder dem wenigstens einen Empfänger ist mittels einer Verstelleinrichtung veränderbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, mit einem Sender und einem Empfänger für optische Strahlung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Aus der US 3,141,094 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt. Hierbei wird ein Lichtstrahl durch einen V-förmigen Abschnitt einer Kappe umgelenkt, welche gegenüber einer dem Sender und einer dem Empfänger zugeordneten Röhre verschoben werden kann, um die Weglänge des Lichtstrahls zu verändern. Allerdings ist die Handhabung dieser Vorrichtung recht aufwändig und kompliziert.
  • Aus der DE 37 24 593 A1 ist eine Vorrichtung zur Spektralanalyse bekannt, die ebenfalls erlaubt, die durchstrahlte Schichtdicke zu variieren. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch in der EP 0 145 877 A2 beschrieben.
  • Eine auch als Tauchsonde bezeichnete Vorrichtung ist außerdem aus der DE 93 19 750 U1 bekannt. Tauchsonden werden meist zur Analyse von Flüssigkeiten beispielsweise in der chemischen, biologischen und pharmazeutischen Forschung, Produktion und Inspektion eingesetzt. Sie kommen jedoch auch bei schüttfähigen Stoffen, wie beispielsweise Pulvern oder Granulaten, zum Einsatz. Dabei wird mittels der optischen Strahlung, üblicherweise Licht, die Absorption gemessen, die das Medium bewirkt, wenn es von der optischen Strahlung durchdrungen wird.
  • In der Praxis besteht ein häufiges Problem solcher Vorrichtungen darin, dass es bei manchen Anwendungen erforderlich ist, unterschiedliche Schichtdicken des Stoffes zu messen. Hierzu ist es bei den bekannten Vorrichtungen erforderlich, die Messsonde bzw. die Umlenkeinrichtung für die optische Strahlung auszutauschen, wodurch sich teilweise erhebliche Unterbrechungen des Betriebs ergeben.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen zu schaffen, mittels welcher mit verhältnismäßig geringem Aufwand unterschiedliche Schichtdicken von zu untersuchenden Stoffen gemessen werden können, wobei zusätzlich Referenzmessungen und eine Kalibrierung der Vorrichtung möglich sein soll, ohne diese aus dem zu messenden Stoff entfernen zu müssen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
  • Durch die Verstelleinrichtung ist es möglich, den Abstand zwischen der Umlenkeinrichtung und dem Sender und/oder dem Empfänger zu verändern, so dass auch während der Messung die Schichtdicke des zu messenden Stoffes variiert werden kann. Dabei ist keine Unterbrechung des Betriebs mehr notwendig, was zu einer erheblichen Einsparung von Zeit und somit von Kosten führt.
  • Durch diese Variabilität der Schichtdicke des zu messenden Stoffes kann die Empfindlichkeit der Vorrichtung sehr einfach an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden. Ein weiterer Vorteil der Verstelleinrichtung besteht darin, dass auf diese Weise die Umlenkeinrichtung an einen anderen Ort verfahren werden kann, beispielsweise um dieselbe zu reinigen.
  • Dadurch, dass die Umlenkeinrichtung so gegenüber dem Sender und dem Empfänger verstellbar ist, dass die Umlenkeinrichtung in einer ersten Stellung mit dem Gehäuse einen abgeschlossenen Hohlraum bildet, ist es möglich, Referenzmessungen an in den Hohlraum eingeleiteten Stoffen durchzuführen, ohne die Vorrichtung aus dem Stoff zu entfernen, was ebenfalls zur Vereinfachung des Prozessablaufs beiträgt. Hierbei ermöglicht der in der zweiten, geöffneten Stellung zwischen der Umlenkeinrichtung und dem Gehäuse vorhandene Ringspalt, dass der zu messende Stoff zwischen die Umlenkeinrichtung und das Gehäuse gelangen kann.
  • In einer sehr einfachen und praxistauglichen Ausführungsform der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtung wenigstens ein Aufnahmeelement und ein in dem wenigstens einen Aufnahmeelement verschieblich gelagertes Verschiebeelement aufweist, wobei eines der Bauteile der Verstelleinrichtung mit dem Gehäuse und das andere Bauteil mit der Umlenkeinrichtung verbunden ist.
  • Eine besonders einfache und damit kostengünstige Ausführungsform der Verstelleinrichtung besteht darin, dass diese manuell verstellbar ist.
  • Um eine komfortablere Bedienung der Verstelleinrichtung zu erreichen, kann jedoch auch vorgesehen sein, dass dieselbe elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch verstellbar ist.
  • Wenn eine Spüleinrichtung zum Spülen des Hohlraums zwischen dem Gehäuse und der Umlenkeinrichtung vorhanden ist, so ist ein einfaches Spülen des Hohlraums und damit Reinigen der den Hohlraum umgebenden Flächen möglich, und zwar ebenfalls ohne die Vorrichtung aus dem Stoff entfernen zu müssen. Des weiteren ist in diesem Fall das Einleiten der Referenzmedien in den Hohlraum möglich.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
  • Es zeigt:
  • 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen;
  • 2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen;
  • 3 einen Teil einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen;
  • 4 die Vorrichtung mit einer detaillierteren Darstellung der Umlenkeinrichtung;
  • 5 die Vorrichtung aus 4 in einem anderen Zustand der Verstelleinrichtung.
  • 6 ein Schnitt durch die Vorrichtung senkrecht zur 4; und
  • 7 ein Schnitt analog zu demjenigen von 6 bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Messung der Konzentration eines Stoffes 2, der im vorliegenden Fall in einem Behälter 3 aufgenommen ist. Bei dem Stoff 2 kann es sich um eine Flüssigkeit, gegebenenfalls mit einem darin aufgelösten Zusatzstoff, oder um Schüttgut, wie Pulver, Körner oder Granulate, handeln. Die Vorrichtung 1 kann auch als Tauchsonde bezeichnet werden und weist einen Sender 4 sowie einen Empfänger 5 für optische Strahlung 6 auf. Bei der optischen Strahlung handelt es sich vorzugsweise um Licht und der Sender 4 sowie der Empfänger 5 weisen denselben zugeordnete Lichtleiter 4a bzw. 5a auf.
  • Der Sender 4 und der Empfänger 5 sind in einem Gehäuse 7 untergebracht, welches einen Flansch 8 aufweist, über den es an bestehenden Messvorrichtungen oder dergleichen angebracht werden kann. Die Vorrichtung 1 weist des weiteren eine bei bestimmungsgemäßer Verwendung derselben innerhalb des Stoffes 2 angeordnete Umlenkeinrichtung 9 auf, die zum Umlenken der von dem Sender 4 ausgesandten optischen Strahlung 6 zu dem Empfänger 5 dient. Die Umlenkeinrichtung 9, die erst in den 4 und 5 detaillierter dargestellt ist, kann mittels einer Verstelleinrichtung 10 gegenüber dem Gehäuse 7 und damit gegenüber dem Sender 4 und dem Empfänger 5 verstellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, mit der Vorrichtung 1 verschiedene Schichtdicken des Stoffes 2 zu messen, ohne die Vorrichtung 1 aus dem Stoff 2 zu entfernen. Des weiteren ermöglicht es die Verstelleinrichtung 10, die Umlenkeinrichtung 9 durch eine nicht dargestellte Dichtung 12 in dem Flansch 8 zu verfahren, beispielsweise um dieselbe außerhalb des Prozesses zu reinigen. Wenn dabei die Umlenkeinrichtung 9 vollständig an das Gehäuse 7 verfahren wird, ergibt sich eine glatte, durchgängige Fläche ohne störende Kante, sodass die Dichtung nicht beschädigt wird.
  • Um einen Hohlraum 11 zwischen dem Gehäuse 7 und der Umlenkeinrichtung 9 zu schaffen, in welchem eine gewisse Menge des Stoffes 2 eingeschlossen werden kann, ist es möglich, die Umlenkeinrichtung 9 so nah an das Gehäuse 7 zu verfahren, dass sich der nach außen abgeschlossene Hohlraum 11 ergibt. Hierzu weist die Vor richtung 1 eine im vorliegenden Fall an der Umlenkeinrichtung 9 angebrachte Dichtung 12 auf, die für eine gute Abdichtung des auf die genannte Art und Weise geschaffenen Hohlraums 11 dient.
  • Die in 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 weist einen an der Unterseite des Gehäuses 7, also der der Umlenkeinrichtung 9 zugewandten Seite desselben, einen Bund 13 auf, der den Abstand zwischen der Umlenkeinrichtung 9 und dem Gehäuse 7 verringert und einen Mindestabstand dazwischen herstellt. Auf diese Weise kann zusätzlich Einfluss auf die mit der Vorrichtung 1 messbare Schichtdicke des Stoffes 2 genommen werden. Auch hier ist die Dichtung 12 vorgesehen, die den Hohlraum 11 nach außen abdichtet. Prinzipiell wäre es auch möglich, die Dichtung 12 in radialer Richtung betrachtet weiter innen anzubringen. Zusätzlich ist es bei sämtlichen Ausführungsformen der Vorrichtung 1 möglich, eine nicht dargestellte Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstands zwischen der Umlenkeinrichtung 9 und dem Sender 4 sowie dem Empfänger 5 bzw. dem Gehäuse 7 vorzusehen.
  • Während in den 1 und 2 die Umlenkeinrichtung 9 so ausgebildet ist, dass die optische Strahlung 6 zweimal durch den Stoff 2 verläuft, nämlich auf dem Weg von dem Gehäuse 7 zu der Umlenkeinrichtung 9 und auf dem Rückweg von der Umlenkeinrichtung 9 zu dem Gehäuse 7, ist die Umlenkeinrichtung 9 gemäß 3 so angeordnet, dass die optische Strahlung 6 lediglich einmal durch den Stoff 2 verläuft. Hierzu ist in dem Bereich zwischen dem Gehäuse 7 und der Umlenkeinrichtung 9 ein Rohr 14 angeordnet, durch welches die optische Strahlung 6 geführt ist. Im vorliegenden Fall ist die optische Strahlung 6 auf dem Weg von der Umlenkeinrichtung 9 in das Gehäuse 7 in dem Rohr 14 geführt, es wäre jedoch auch möglich, die optische Strahlung 6 auf dem Weg von dem Gehäuse 7 zu der Umlenkeinrichtung 9 in dem Rohr 14 zu führen. Die Anordnung gemäß 3 wird dann eingesetzt, wenn der zu untersuchende Stoff 2 eine sehr hohe Absorption aufweist, so dass bei einem zweimaligen Durchlaufen desselben zu viel Energie der optischen Strahlung 6 verloren ginge.
  • 4 zeigt eine detailliertere Darstellung der Vorrichtung 1. Hierbei ist erkennbar, dass die Verstelleinrichtung 10 ein Führungs- bzw. Aufnahmeelement 15 und ein in dem Aufnahmeelement 15 verschieblich gelagertes Verschiebeelement 16 aufweist und dass das Aufnahmeelement 15 mit dem Gehäuse 7 und das Verschiebeelement 16 mit der Umlenkeinrichtung 9 verbunden ist. Die Anordnung dieser beiden Bauteile der Verstelleinrichtung 10 könnte jedoch auch umgekehrt sein. Im vorliegenden Fall ist das Aufnahmeelement 15 in Form eines Rohres ausgeführt, in dem das in der dargestellten Ausführungsform als Stange ausgebildete Verschiebeelement 16 verschieblich geführt ist. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Ausführungsformen des Aufnah meelements 15 und des Verschiebeelements 16 denkbar, z.B. in Form von Gewinden oder ähnlichem.
  • Die Betätigung der Verstelleinrichtung 10 und damit die Verstellung der Umlenkeinrichtung 9 kann manuell erfolgen, wobei dann eine Rasterung an dem Gehäuse 7 vorhanden sein sollte, an welcher die tatsächlich gemessene Schichtdicke einstellbar und ablesbar ist. Alternativ ist auch ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb der Verstelleinrichtung 10 denkbar, wozu bekannte Einrichtungen eingesetzt werden können.
  • Aus 4 geht des weiteren hervor, dass die Umlenkeinrichtung 9 im vorliegenden Fall zwei Spiegel 17 und 18 aufweist, die zur Umlenkung der optischen Strahlung 6 dienen. Da diese Ausführungsform der Umlenkeinrichtung 9 an sich bekannt ist, braucht sie hierin nicht näher beschrieben werden. Dies gilt auch für die nicht dargestellte Ausführungsform, in der die Umlenkeinrichtung 9 als Prisma ausgebildet ist.
  • In 5 ist die Vorrichtung 1 in ihrem ausgefahrenen Zustand, in dem der Abstand zwischen der Umlenkeinrichtung 9 und dem Gehäuse 7 mittels der Verstelleinrichtung 10 vergrößert wurde, dargestellt. Hierbei kann die Schichtdicke stufenlos oder durch die oben beschriebene Rasterung verstellt werden. Selbstverständlich ist auch ein anderer als der in den 4 und 5 dargestellte Verstellbereich der Umlenkeinrichtung 9 denkbar.
  • 6 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung 1 senkrecht zur Darstellung in 4. Hierbei ist erkennbar, dass das Aufnahmeelement 15 der Verstelleinrichtung 10 im wesentlichen in der Mitte des Gehäuses 7 angeordnet ist. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen des Verschiebeelements 16 und damit des Aufnahmeelements 15 möglich. In diesem Zusammenhang könnte die Verstelleinrichtung 10 auch mehr als das eine Aufnahmeelement 15 und das zugeordnete Verschiebeelement 16 aufweisen, z.B. um eine erhöhte Stabilität zu erhalten. Des weiteren sind in 6 der Lichtleiter 4a des Senders 4 und der Lichtleiter 5a des Empfängers 5 im Schnitt dargestellt. Auch hier sind selbstverständlich andere Anordnungen derselben über den Querschnitt des Gehäuses 7 denkbar.
  • Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist in dem Schnitt gemäß 7 dargestellt. Hierbei ist die Verstelleinrichtung 10 ebenfalls mittig innerhalb des Gehäuses 7 angeordnet, es ist jedoch eine größere Anzahl an Sendern 4 mit entsprechenden Lichtleitern 4a und Empfängern 5 mit entsprechenden Lichtleitern 5a dargestellt. Hierdurch ist bei gleicher Wellenlänge ein größerer Lichtdurchsatz möglich oder, wenn entsprechende Lichtquellen eingesetzt werden, eine Kombination von Wellenlängenbereichen mit unterschiedlichen Lichtleitern, wodurch mit einer Messung unterschiedliche Messungen durchgeführt werden können. Des weiteren kann auf diese Weise ein Fotometer mit zwei Wellenlängen dargestellt werden.
  • Außerdem ist in 7 eine Spüleinrichtung 19 dargestellt, welche zum Spülen des Hohlraums 11 zwischen dem Gehäuse 7 und der Umlenkeinrichtung 9 dient und eine Zuführleitung 20 für ein Reinigungsmittel sowie eine Absaugleitung 21 zum Entleeren des Hohlraums 11 aufweist. Das Ausspülen des Hohlraums 11 ist somit ohne Entfernen der Vorrichtung 1 aus dem Stoff 2 möglich. Alternativ zu der Darstellung gemäß 7 können sowohl die Zuführleitung 20 und die Absaugleitung 21 als auch die Lichtleiter 4a und 5a sowie das Aufnahmeelement 15 und das Verschiebeelement 16 an anderen, für den jeweiligen Einsatzzweck geeigneten Stellen platziert sein. Des weiteren ist es alternativ oder zusätzlich zur Spülung des Hohlraums 11 mit der Zuführleitung 20 auch möglich, ein Referenzmedium in den Hohlraum 11 einzubringen, um bestimmte Vergleichsmessungen durchführen zu können. Außerdem kann eine nicht dargestellte eine Trocknungseinrichtung zum Trocknen des mittels der Spüleinrichtung 19 gespülten Hohlraums 11 vorgesehen sein, die beispielsweise mit Druckluft oder mit Stickstoff betrieben werden kann und für die bekannte Einrichtungen verwendet werden können.
  • Bei der Messung von Pulvern oder sonstigen rieselfähigen Stoffen ist es möglich, den Stoff 2 mittels der Verstelleinrichtung 10 zwischen der Umlenkeinrichtung 9 und dem Gehäuse 7 zu verpressen, so dass der Stoff 2 definiert zwischen den planparallelen Platten des Gehäuses 7 bzw. der Umlenkeinrichtung 9 liegt.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, mit wenigstens einem in bzw. an einem Gehäuse angeordneten Sender und wenigstens einem Empfänger für optische Strahlung und mit einer von dem wenigstens einen Sender und dem wenigstens einen Empfänger beabstandeten, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Vorrichtung innerhalb des Stoffes angeordneten Umlenkeinrichtung zum Umlenken der optischen Strahlung von dem wenigstens einen Sender zu dem wenigstens einen Empfänger, wobei der Abstand der Umlenkeinrichtung zu dem wenigstens einen Sender und/oder dem wenigstens ei nen Empfänger mittels einer Verstelleinrichtung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (9) so gegenüber dem wenigstens einen Sender (4) und dem wenigstens einen Empfänger (5) verstellbar ist, dass die Umlenkeinrichtung (9) in einer ersten Stellung der Umlenkeinrichtung (9) einen abgeschlossenen Hohlraum (11) mit dem Gehäuse (7) bildet, und dass sich in einer zweiten Stellung der Umlenkeinrichtung (9) ein Ringspalt zwischen der Umlenkeinrichtung (9) und dem Gehäuse (7) befindet, welcher das Einströmen des Stoffes zwischen die Umlenkeinrichtung (9) und das Gehäuse (7) ermöglicht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (10) wenigstens ein Aufnahmeelement (15) und ein in dem wenigstens einen Aufnahmeelement (15) verschieblich gelagertes Verschiebeelement (16) aufweist, wobei eines der Bauteile der Verstelleinrichtung (10) mit dem Gehäuse (7) und das andere Bauteil mit der Umlenkeinrichtung (9) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (10) manuell verstellbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (10) elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch verstellbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Umlenkeinrichtung (9) und dem Gehäuse (7) eine Dichtung (12) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spüleinrichtung (19) zum Spülen des Hohlraums (11) zwischen dem Gehäuse (7) und der Umlenkeinrichtung (9) vorhanden ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinrichtung (19) wenigstens eine Zuführleitung (20) für ein Reinigungsmittel sowie eine Absaugleitung (21) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trocknungseinrichtung zum Trocknen des mittels der Spüleinrichtung (19) gespülten Hohlraums (11) zwischen dem Gehäuse (7) und der Umlenkeinrichtung (9) vorhanden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstands zwischen der Umlenkeinrichtung (9) und dem wenigstens einen Sender (4) und dem wenigstens einen Empfänger (5) bzw. einem Gehäuse (7) vorhanden ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (9) so angeordnet ist, dass die optische Strahlung (6) zweimal durch den Stoff (2) verläuft.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (9) so angeordnet ist, dass die optische Strahlung (6) einmal durch den Stoff (2) verläuft.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich zwischen dem Gehäuse (7) und der Umlenkeinrichtung (9) ein Rohr (14) angeordnet ist, durch welches die optische Strahlung (6) geführt ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sender (4) und mehrere, den Sendern (4) zugeordnete Empfänger (5) vorhanden sind.
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