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Gegentand
der Erfindung ist eine Messsonde zur Messung der Bestrahlungsstärke (W/m2; mW/cm2) eines
auf die Messsonde seitlich einfallenden Lichtbündels, vorzugsweise zur Verwendung
in einem UV-Reaktor, bestehend aus einem rohrförmigen strahlungsdurchlässigen Messfenster,
einem Umlenkreflektor vorzugsweise mit einer Blende in der Achse
der seitlichen Einfallsrichtung, und in der Achse der Messsonde
mit einer fokussierenden Blende und einem empfangenden Lichtsensor
mit oder ohne einer davor gesetzten Streuscheibe und oder einem Kantenfilter
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Nach
dem Stand der Technik bestehen bereits Messsonden zur Messung der
Bestrahlungsstärke
von dazu seitlich einfallenden Lichtbündeln. Sie werden aber vorzugsweise
in offenen UV-Bestrahlungsgerinnen eingesetzt, weniger in geschlossenen
UV-Reaktoren. Oft handelt es sich dabei nur um einen einfachen handelsüblichen
UV-Sensor, der auf einer einschiebbaren und räumlich festgelegten Platine
mit seitlicher Blickrichtung in einem runden Quarzrohr von der Art
der Hüllrohre
für die
UV-Strahler platziert ist. Es gibt auch Sensoren, die mittels einem
kegelförmigen „Rundumspiegel" in einem solchen
Quarzrohre das von allen Seiten einfallende Licht auf einen UV-Sensor
fokussieren, das heißt
die Bestrahlungsstärke
von um das Sensorrohr aufgestellten UV-Strahlern zu erfassen, um
damit eine ungefähre
Vorstellung der umgebenden Raumbestrahlung (Ws/m2)
zu gewinnen. Die Eichung solcher UV-Sensoren ist schwierig, so dass
die Messergebnisse mehr oder weniger informativen Charakter haben.
Nach heutigem Stand der Technik geschieh die Kontrolle von UV-Desinfektionsgeräten über das Ausmessen
eines nahe an der Reaktorwand liegenden UV-Strahlers der Strahlerkonfiguration
an einer definierten Messstelle (Überwachungsposition), das heißt durch
ein dort angebrachtes Messfenster an der Reaktorwand mittels geeichtem
Messsensor, beispielsweise mit einem Messsensor nach DVGW Arbeitsblatt
W294. Die genaue räumliche
Lage des Messfensters an der Reaktorwand wird für jeden Gerätetyp vom Hersteller festgelegt.
Daneben kontrolliert man laufend den UV-Strahlerstrom aller Strahler in
der Bestrahlungskammer, damit man den Ausfall eines einzelnen Strahlers
mitbekommt. Fällt
der Messwert de Sensors oder der Strom eine Strahlers in unzulässiger Weise
ab, gibt es Alarm und das Gerät
wird automatisch abgeschaltet.
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1 zeigt
schematisch einen geschlossenen UV-Reaktor zur Desinfektion von
Flüssigkeiten mit
dem zylindrischen Gehäuse 1,
einen Zufluss 2 und einen Abfluss 3, mit einem
abschraubbaren Deckel 4 und der Dichtung 5, einem
zentralen UV-Strahler 6,
eingesetzt in einem strahlendurchlässigen Strahlerhüllrohr 7 aus
Quarzglas und mittels Dichtung 8 druckwasserdicht durch
dem Deckel herausgeführt.
An der linken Gehäusewand
ist soll der Gerätesensor 9 in
seiner vom Hersteller bestimmten Überwachungsposition gedacht
sein. Der Sensor 9, bestehend aus einem Messfenstertubus 10,
der in einer Muffe an der Gehäusewand
eingeschraubt wird, mit einem patronenförmigen Einstecksensor 12,
der mittels einer nicht gezeigten Überwurfmutter gehalten sein
und in radialer Richtung auf den UV-Strahler 6 ausgerichtet
sein soll. Er erhält
das Licht aus der Richtung 17. Im Wesentlichen der Technischen
Regel, „Arbeitsblatt
W294, des DVGW Deuscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V." folgend, soll dieser Überwachungssensor
aus den optischen Elementen Messfenster 11 aus Quarzglas
von mindestens 23 mm Durchmesser und 5 mm Dicke, einer ebenso mit einem
Quarzglas verschlossenen Messöffnung 13 in 12 von
mindestens 10-18 mm Durchmesser, einer Apperturblende 15,
die das Strahlenbündel
mit einem Öffnungswinkel
von 30° mit
den gedachten begrenzenden Strahlen 16 eingrenzt, die beispielsweise
auch im Sensorschaft 12 eingearbeitet sein kann, und dem UV-Sensor 14 bestehen.
Der Öffnungswinkel
von 30° kann
auch einfach durch einen geeigneten Abstand des Messsensors vom
Messfenster 11 und dessen gewählten Durchmesser hergestellt
werden. Unmittelbar vor dem Sensor kann noch die dünne Scheibe 21 aus
einem das Licht zerstreuendem Material, wie beispielsweise eine
Standardfolie aus PTFE, angeordnet werden. Man hat nach dem Arbeitsblatt
W294 außer
den Maßstandards
der Fenster die Öffnungswinkel
von Anlagen- und Referenzsensoren auf 30° vereinheitlich. So ist es bei
vorgeschriebenen Eigenschaften der verschiedenen Sensoren innerhalb
bestimmter Raumwinkel möglich,
vergleichbare Messewerte bei den verschiedenen Fabrikaten zu erreichen,
was eine Voraussetzung bei Kontrollen und Leistungs-Zertifizierungen
ist. Zum Selektivitätsprüfung von
Anlagensensoren gehört
eine Messung mit planparalleler Abdeckung des Sensors mittels eines Kantenfilters 40 von
3 mm Dicke, wobei der Rückgang
des Messsignals überprüft werden
soll. Derartige Überwachungsgeräte haben
sich inzwischen eingeführt
und werden von den Behörden
im Wasserversorgungsbereich verlangt. Einerseits kann man sagen,
dass dieser optischer Aufbau ein sehr einfaches optisches System
darstellt aber andererseits den Zweck einer vergleichenden Messung
trotz ihres einfachen Aufbaus voll erfüllt. Die eingehende Beschreibung
dieses Messsystems soll unter anderem zeigen, dass es nur seitlich
in der Reaktorwand angebracht werden kann, was unter anderem auch
mit zu dem erfinderischen Gedanken geführt hat. Bei der Zertifizierung
von UV-Reaktoren für
Trinkwasser in den Wasserwerken sind übrigens nur noch Messsensoren
nach den Vorgaben des Arbeitsblattes W294 zugelassen. Eine eingehende
Beschreibung findet man dort.
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Es
gibt allerdings Fälle,
in denen die seitliche Anordnung eines Messsensors am Reaktor, wie
in
1 dargestellt, nicht möglich ist, wie es überhaupt sinnvoller
und angenehmer wäre,
wenn neben den UV-Strahlern auch der Messsensor durch den Reaktordeckel
parallel zu Reaktorachse in die Reaktorkammer eingeführt werden
könnte.
Es gibt beispielsweise doppelwandige UV-Reaktoren entsprechend der
Deutschen Anmeldung P 102 21 037.3 vom 10.05.
Diese Geräte
sind in einer Vielzahl im Einsatz. Bei solchen Geräten ist
es schwierig, einen Messsensor seitlich anzubringen, weil er dort
durch zwei Wände
hindurchgeführt
und abgedichtet werden muss. Die richtige Positionierung kann ebenso
problematisch sein. Die Anwendung des in
1 beschriebenen
seitlichen Messsensors
9 oder einer anderen seitlichen
Messanordnung ist hier praktisch nicht möglich. Eine Anwendung des seitlich
platzierten Messsensors ist ferner auch dort nicht möglich, wo das
Reaktorgehäuse
nicht ausreichend zugängig oder
beispielsweise das Ein- und Ausschrauben eines solchen Messsensors
aus Platzgründen überhaupt
nicht vorgenommen werden kann, beispielsweise bei Platzmangel in
Kompaktanlagen. Auch gibt es Fälle,
wo man im Innern des Reaktors eine geschliffene Oberfläche mit
kleinster Oberflächenrauhigkeit
verlangen muss, wie beispielsweise bei Reaktoren für die pharmazeutische
Industrie, wobei ein seitlich eingeschweißter Sensorstutzen schon zu
erheblichen Fertigungsproblemen, beispielsweise bei der Erzeugung
der verlangten Oberflächengüte der inneren
Schweißnähte, führen kann.
In solchen und ähnlichen
Fällen,
die in der Praxis vorkommen, kann die Alternative zum seitlich an
der Reaktorkammer angebrachten Messsensor nur eine Messsonde sein, welche
stirnseitig achsparallel durch den UV-Reaktordeckel in die Bestrahlungskammer
eingeschoben wird. In
1 soll
19 diese alternative
Messsonde mit Abdichtung und Längsführung
20 zum
Einschieben durch den Reaktordeckel
4 sein. Sie ist als Tauchrohr
aus Quarzglas ausge führt,
wobei die dünne
Wandung zugleich „Messfenster" ist. Es kann beispielsweise
ein ähnliches
Quarzrohr sein, das andererseits für Hüllrohre
7 der UV-Strahler
Verwendung findet. Das Licht kommt aus Richtung
17 vom UV-Strahler
6.
Das in der Sonde unterzubringende „optische System"
18, in
strahlenmesstechnischer Hinsicht gleichwertig gedacht mit demjenigen
im Messsensor
9, muss allerdings von oben im Rohr
19 eingeschoben
und im Rohrquerschnitt untergebracht werden können und bekommt sein Licht
von der Seite und nicht von vorne. In kleineren Bestrahlungskammern
kann dabei nur ein Rohr von nicht mehr als 12-25 mm Durchmesser
Platz haben, da zwischen dem Hüllrohr
7 und
dem Rohr
19, dem Messfenster, eine für die Erkennung eines Leistungsabfalls
durch plötzlich
nachlassender Transmission im Wasser, was durchaus vorkommen kann,
noch eine dafür ausreichende
Messstrecke „a" durch das Wasser notwendig
ist. Die Erfindung löst
problemlos die im Folgenden unter Punkt 1. bis 8. aufgelisteten
Aufgaben:
- 1. Die möglichst verlustarme und genaue
Umlenkung des seitlich einfallenden Strahlenbündels in die Sondenachse.
- 2. Eine Eingrenzung des umgelenkten Strahlenbündels innerhalb
eines bestimmten und wählbaren
Raumwinkels mit Fokussierung auf den Sensor, um die Eichung von
Messsonden verschiedener Sensorbaureihen zu ermöglichen.
- 3. Die mit einfachen konstruktiven Mitteln hergestellte genaue
und unverrückbare
räumliche
Fixierung aller optischen Komponenten untereinander innerhalb des
Sensorfensters 19. (s. Anspruch 2)
- 4. Einfachster Aufbau und damit einfache und kostengünstige Herstellung
in Serie.
- 5. Einbau des Sensors parallel zur Reaktorachse durch den stirnseitigen
Deckel eines zylinderförmigen
Reaktors und damit Wegfall einer seitlich in der Reaktorwand befindlichen
Messöffnung.
- 6. Einführung
eines einheitlichen Abstandes „a" der Messsonden von
den Strahlerhüllrohren,
das heißt,
Schaffung einer einheitliche Messposition in allen Reaktoren bei
beliebiger Strahlerkonfiguration, gleiche Durchdringungsstrecken
durch die Flüssigkeit
und damit bei gleichen Transmissionswerten in der Flüssigkeit
gleiche absolute Messwerte ja nach Strahlerleistung und Strahleralter.
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Messsonden
für seitlich
einfallende Strahlenbündel
gibt es. Nur sind es optisch wenige anspruchsvolle Systeme, meist
bestehend aus einem Tauchrohr und einer Messdiode mit dem Verstärker für einen
4-20 mA-Ausgang, welche an einem in einem Tauchrohr aus Quarzglas
eingeschobenen stabförmigen
Halter so befestig sind, dass der Messdiode das von der Seite ankommende
Licht direkt durch die Tauchrohrwand zugeführt wird. Es gibt auch Ausführungen
mit einem in einem Hüllrohr
aus Quarzglas befindlichen kegelförmigen Reflektor mit der Spitze
in Richtung Sensor, der das rundum auffallende Licht aus der Umgebung
auf einen darüber
liegenden Sensor lenkt. Hier hat man wohl die Messung eines der Raumbestrahlungsstärke äquivalenten
Messwertes im Sinn, indem man einen solchen Rundumsensor beispielsweise
zwischen vier Strahler innerhalb einer größeren UV-Strahlerkonfiguration positioniert.
Eine durchschnittliche Raumbestrahlungsstärke ergibt sich hierdurch nicht,
auch kein Äquivalent.
Es ist kein Verfahren bekannt, die durchschnittlich wirksame Raumbestrahlung
in einer Strahlerkonfiguration eines UV-Reaktors direkt zu messen,
um daraus die zulässige
Durchflußleistung
für eine
bestimmte UV-Transmission des jeweiligen Mediums zu berechnen. Daher
basiert die amtliche Prüfung,
beispielsweise durch den DVGW (in der BRD) auf einer biodosimetrischen
Kontrolle des Desinfektionspotentials bei bestimmten, absolut gemessenen
Betrahlungsstärken
E an einer für
den Gerätetyp
geeigneten Überwachungsposition
des UV-Sensors.
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2 zeigt
schematisch die Messsonde nach dem erfinderischen Gedanken. Die
Vorrichtung besteht aus einem dünnwandigen,
genau runden, am Ende geschlossenen blasen- und schlierenfrei mit durchgehend
gleichmäßiger Wandstärke gezogenen Hüllrohr 19 aus
Quarzglas. Dieses Hüllrohr
ist zugleich Messfenster. Das seitlich einfallende parallele Lichtbündel aus
Richtung 17 mit dem gedachten mittleren Lichtstrahl 23 fällt auf
die Umlenkvorrichtung 30 mit der Reflektorfläche 22.
(Bem.: Nach dem Lambertschen Gesetz kommt von einem parallel zur Messvorrichtung
angeordneten UV-Strahler 6 in Bezug zum gedachten mittleren
Lichstrahl 23 auch schräg
von unten oder oben Strahlungsleistung, die in das Fenster 27 einfällt, angedeutet
durch die Richtungspfeile 40 in 2 und 3.
Diese cosφ-Strahlung
wird überwiegend
nicht in die Öffnung
der Blende 24 eingespiegelt und nur wenig wird davon wirklich
auf den Sensor fokussiert werden.) Das seitlich einfallende Lichtbündel wird
zunächst
mittels Fensters (Blende) 27, das beispielsweise ein runder Ausschnitt
in einem lichtundurchlässigen,
dünnwandigen mattschwarzen
Tubus 29 sein kann, auf das Maß auf der Umlenkvorrichtung 22 begrenzt.
Das so umgelenkte Lichtbündel
wird durch die bündelbegrenzende
Aperturblende 24 so eingegrenzt, dass das reflektierte
Licht auf die Empfängerfläche des
Sensors 14 und seine nähere
Umgebung fokussiert. Der Sensor „sieht" einen Teil des seitlich einfallenden
Lichtbündels
als einen runden leuchtende „Lichtsender". Konstruktiv kann
auch hier ein einheitlicher Öffnungswinkel „2u" gewählt werden.
Die Bezeichnung „Umlenkvorrichtung" für Element 22 trifft
eher zu als „Spiegel"; diese reflektierende
Fläche
könnte
für bestimmte Wellenlängen durchaus
ein üblicher
Spiegel sein, für UV-Licht jedoch besser
nicht, da das in Spiegeln verwendete Silber ein schlechtes Reflexionsvermögen für UV-Licht
hat. Für
UV-Licht eignet sich Aluminium mit seinem großem Reflektionsvermögen für UV-Strahlen
am besten, das nicht unbedingt als eine spiegelnde Oberfläche zur
Anwendung kommen muss, denn auch mit feiner Rauhigkeit wird die
Reflexionsfläche 22 gut
verwendbar sein, indem sie auch diffus ausreichend reflektiert und
eine Diffusionsscheibe 21 zum Ausgleich der örtlich minimal
verschiedenen hellen Leuchtpunkte auf der Reflexionsfläche 22,
bedingt durch unterschiedliche Abstände von der Strahlenquelle,
dann überflüssig wäre. Aus wenigen
Hauptkomponenten und zwar dem endseitig unten rund geschlossenen
Hüllrohr 19 aus
Quarzglas, das mittels Hüllrohrdichtung 20 und
einer Führung
aus dem Reaktordeckel 4 der Reaktorkammer 1 in 1 herausgeführt wird
und das gleichermaßen Messfenster
ist, dem Tubus 29, dem darin befindlichen seitlichen Einfallfenster 27,
der Umlenkvorrichtung 30, der Blende 24, falls
erforderlich, einer Diffusionsscheibe 21 und einen Lichtsensor 14 lassen sich
im Durchmesserbereich von 15 bis 30 mm bei der heute gewohnten Bearbeitungsgenauigkeit
auf einfache und wirtschaftliche Weise solche Messsonden für seitlichen
Lichteinfall nach dem erfinderischen Gedanken herstellen, die durchaus
die optische Qualität
eines seitlich an der Reaktorkammer angeordneten Messsensors, wie
beispielsweise Vorrichtung 9 in 1, aufweisen.
Eine solche Messvorrichtung ist der Vorrichtung 9 in 1 sogar überlegen.
Erstens ist sie einfacher und billiger, zweitens benötigt man
in der Reaktorkammer keine seitliche Messöffnung mehr, drittens kann
man sie achsparallel durch den Deckel eines zylindrischen Reaktors einführen und
viertens, was nicht zu unterschätzen ist,
kann man sie stets in einem gleich großen Abstand von einem UV-Strahler
positionieren, so dass für
alle Reaktoren, in denen die Vorrichtung zum Einbau kommt, die Messposition
gleich ist, ohne Rücksicht
auf die Strahleranzahl, deren Konfiguration oder dem kürzesten
Strahlerabstand von der inneren Reaktorwand.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäße Messsonde 18 zur
Messung von ultravioletten Strahlen in einem UV-Reaktor zur Desinfektion
von Trinkwasser entsprechend 1 im Abstand „a" parallel angeordnet
zu einem benachbarten UV-Strahler 6, eingebaut im Hüllrohr 7.
Der Abstand „a" ist die Durchdringungsstrecke
der UV-Strahlen durch das Wasser zwischen dem Hüllrohr 7 des UV-Strahlers 6 und
dem Messfenster 19 der Messsonde. In dem Ausführungsbeispiel
nach 3 finden sich die Komponenten der 2 wieder.
Es sollen 19 das Messfenster sein, ausgeführt als
ein rundes, maßhaltiges,
druckwasserfestes dünnes
Rohr aus Quarzglas mit einer Wandstärke von 1,0 bis 1,5 mm, 28 ein
festes Optikgehäuse
beispielsweise aus Messing, Aluminium oder Kunststoff (in der Zeichnung
schwarz unterlegt), 29 das seitliches Einfallfenster (Blende)
für das
parallele Lichtbündel
vom Strahler kommend, welches das einfallende Seitenlicht auf der
Fläche 26 eingrenzt
und durch eine runde seitliche Öffnung
im Optikgehäuse
verifiziert sein soll, 30 die Umlenkvorrichtung mit der
Reflektorfläche 26, 32 eine
Blende, die durch Ausdrehen im Optikgehäuse entstanden sein soll und 34 die
Sensordiode, die beispielsweise eine handelsübliche GAP (Gallium Phosphid
Diode) in einem TO8-Gehäuse sein
kann mit dem Anschlusskabel 35. Das Optikgehäuse 28 soll
mit zwei Klemmhülsen 37 innerhalb
des Messfensters 19 in seiner Lage fixiert sein. Die Klemmhülse 37 ist
längs geschlitzt
und hat einen geringfügig
größeren Außendurchmesser über den
Innendurchmesser des Messfensters hinaus. Sie ist mit geringer Kraft
innerhalb des Messfensters nach oben oder unten verschiebbar. Die
Klemmwirkung genügt
für eine
dauerhafte Fixierung der Einbauten. Die Messsonde muss axial nicht
sehr tief in den UV-Reaktor eingeschoben werden; nur darf bei Niederdruckstrahlern
das Einfallfenster 29 dem Sockel am oberen Ende des UV-Strahlers nicht näher kommen
als ca. 50 mm, bei dotierten UV-Strahlern muss es mindestens 150
mm vom nächsten
Goldpunkt entfernt sein, also in einem Bereich gleichmäßiger Abstrahlung
für alle
typengleichen Strahler. Die Messung erfasst bei genauer Ausrichtung
auf die Mittelachse de Strahlers den mittleren Bereich des Leuchtrohres
(6), das heißt
ein Bündel
nahezu paralleler UV-Strahlen innerhalb der gedachten Grenzstrahlen 36.
Auch schräg
zur Strahlerachse gerichtete so genannte cos.φ-Strahlung, angedeutet durch
die gedachten Strahlen 40 fallen auf die Mess sonde. Ihr Anteil
ist jedoch gering und sie wird nicht insgesamt auf den Messsensor
umgelenkt und eingestrahlt.
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Im Einzelnen:
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Das
Messfenster 19. Nur ein Teilabschnitt des Quarzglasrohres
bildet das eigentliche Messfenster, eingegrenzt durch das Einfallfenster 29.
Im Falle des Sensors 9 in 1 wird die
Abstrahlung des UV-Strahlers ebenfalls durch ein Quarzrohr 7 vorgenommen,
das sich im Messvorgang nicht nachteilig auswirkt. Im hier vorliegenden
Fall wird zweimal durch ein Quarzrohr gemessen, durch das Hüllrohr des
UV-Strahlers und
durch das Quarzrohr 19. Dafür wird im vorliegenden Fall
nicht noch zusätzlich
durch zwei Quarzglasfenster 11 und 13 (1)
gemessen. Die Wanddicke der Quarzrohre ist gering. Der Transmissionsverlust
ist sehr gering. Durch eine runde Glaswand, nämlich durch das Hüllrohr,
wird die UV-Intensität
praktisch in allen UV-Desinfektionskammern gemessen. Es hat bis
heute nicht gestört. Solche
Quarzglasrohre werden überdies
mit großer Genauigkeit
und ausreichenden Toleranzen hergestellt, besonders, was das Material
angeht.
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Optikgehäuse 28.
Dargestellt in 3a. Es soll vertikal
verschiebbar im Messfensterrohr 19 eingepasst sein. Die
Umlenkvorrichtung 30 und der Sensor 34 nach 4 können an
ihm fest und zueinander genau positioniert befestigt werden. Im
Beispiel mittels der Klemmhülsen 37.
Dies ist wichtig, da man nur so bei Eichungen und/oder Zertifizierungen
solcher Messvorrichtungen innerhalb kleiner Toleranzen bei allen
Systemen gleiche Messwerte erhält.
Das Gehäuse
ist leicht, genau und billig herstellbar. Das Einfallfenster 29 kann
von der Seite mittels Stirnfräser
eingearbeitet werden.
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Die
Umlenkvorrichtung 30, dargestellt in 3b.
Sicherlich kann man auf der Reflektorfläche 26 alle möglichen
reflektierenden Materialien aufbringen. Im Beispiel soll jedoch
auf die einfachste Reflexionsausstattung zurückgegriffen werden, die auch
in einem Unteranspruch genannt ist. Es soll nämlich der ganze Körper der
Umlenkvorrichtung 26 komplett aus Aluminium gefertigt sein.
Die schräge
Reflexionsfläche 26 wird
glatt gefräst
und anschließend
fein glasgestrahlt. Sie kann auch poliert werden. Danach wird sie
gereinigt, entfettet und, falls erforderlich, mit einem UV-durchlässigem und
UV-festen dünnen Schutzlack
gegen Oxydation geschützt.
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Die
Fläche 29 reflektiert
dispers, wenn sie fein glasgestrahlt wird. So würde sich eine Dispersionsscheibe 21 erübrigen.
Die Lage der Umlenkvorrichtung 30 im Optikgehäuse 28 soll
durch einen Führungsschlitz 38 genau
gegenüber
dem Einfallsfenster und einen Passstift 39 in der Umlenkvorrichtung
bestimmt sein. Wer mit UV-Geräten
Erfahrung hat weiß, dass
beim Anvisieren solcher Parallelichtbündel aus UV-Strahlern kleine
Winkelabweichungen oder kleine seitliche Verschiebungen nicht zu
großen
Fehlern führen.