DE102008010207B4

DE102008010207B4 - Optische Baugruppe zum Ein- und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in ein druckfestes Gehäuse und/oder aus einem druckfesten Gehäuse

Info

Publication number: DE102008010207B4
Application number: DE102008010207.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mikkelsen Hakon; Andreas Müller; Dr. Hertel Martin
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: US20090285526A1; DE102008010207A1; US8086081B2

Abstract

Optische Baugruppe (1) zum Ein- und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs in ein druckfestes Gehäuse und/oder aus einem druckfesten Gehäuse,
wobei die optische Baugruppe (1) mindestens einen Gehäusewandabschnitt (3) des druckfesten Gehäuses umfasst, welcher mindestens eine Durchgangsöffnung (5) aufweist,
wobei in der Durchgangsöffnung (5) mechanische Fassungsmittel vorgesehen sind, mit denen ein für die elektromagnetische Strahlung transparenter Festkörper gefasst ist,
wobei der transparente Festkörper zwei einander gegenüberliegende Grundflächen und eine Zylindermantelfläche (9) aufweist,
und wobei die Fassungsmittel mindestens einen Fassungsring (11) umfassen,
wobei ein Volumenbereich zwischen mindestens einem ersten Abschnitt (13) des Fassungsrings (11) und mindestens einer Teilfläche der Zylindermantelfläche (9) mit einer druckfesten Vergussmasse (25) gefüllt ist,
wobei der Fassungsring (11) einen zweiten Abschnitt (27) aufweist, welcher mit einer Ferulle (31) zur Aufnahme mindestens einer optischen Faser (35) derart verbunden ist, dass aus der optischen Faser (35) austretende Strahlung auf die der optischen Faser (35) zugewandte Grundfläche des transparenten Festkörpers trifft,
wobei Gehäusewandabschnitt (3) die Wand eines weiteren, direkt an das druckfeste Gehäuse anschließenden zweiten Gehäuses bildet, welches mindestens den zweiten Abschnitt (27) des Fassungsrings (11) mit der Ferulle (31) und mindestens einen Abschnitt der in der Ferulle (31) befestigten optischen Faser (35) umschließt, und
das zweite Gehäuse sich mit zunehmendem Abstand von dem Gehäusewandabschnitt (3) des druckfesten Gehäuses verjüngt und an seinem dem Gehäusewandabschnitt (3) entgegen gesetzten Ende eine Aufnahme für ein Sensorrohr (49) besitzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Baugruppe zum Ein- und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs, insbesondere von IR-Strahlurvg, insbesondere im Wellenlängenbereich von 4 bis 15 µm, in ein druckfestes Gehäuse hinein und/oder aus einem druckfesten Gehäuse heraus.
Eine derartige optische Baugruppe wird beispielsweise für optische Sensoren oder Kommunikationseinrichtungen benötigt, bei denen ein für elektromagnetische Strahlung empfindlicher Empfänger und/oder ein elektromagnetische Strahlung aussendender Sender in einem Gehäuse untergebracht ist. Zur Wechselwirkung des Senders bzw. Empfängers mit der Umgebung außerhalb des Gehäuses ist es notwendig, elektromagnetische Strahlung aus dem Gehäuse heraus auszukoppeln bzw. in das Gehäuse hinein einzukoppeln. Ein optischer Sensor zur Durchführung von Absorptionsmessungen oder von Messungen der abgeschwächten Totalreflexion, so genannten ATR-Messungen, kann so ausgestaltet sein, dass eine Strahlungsquelle und ein Spektrometer in einem Gehäuse untergebracht sind, während eine Sonde zum Eintauchen in ein Prozessmedium außerhalb des Gehäuses über optische Fasern mit der Strahlungsquelle und mit dem Spektrometer verbunden ist. In diesem Fall wird bei der Messung elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle aus dem Gehäuse ausgekoppelt, über die optischen Fasern in die Sonde geleitet, dort reflektiert und über optische Fasern wiederum in das Gehäuse eingekoppelt, wo sie auf den Detektor des Spektrometers trifft.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE 295 21 685 U1 offenbart ein optisches Bauteil, insbesondere für einen Infrarotstrahler, mit einem Gehäuse, das eine mittels einem optischen Fenster oder einer Linse aus Saphir verschlossene Öffnung für in das Gehäuse einfallende oder aus dem Gehäuse austretende Strahlung aufweist, wobei zwischen dem Rand der Öffnung und dem Fenster oder der Linse eine umlaufende metallische Lotverbindung vorgesehen ist. Dieses optische Bauteil schließt das Gehäuse vakuumdicht ab.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE 20 2006 014 464 U1 offenbart eine Sensoranordnung, bei der durch eine Gehäuseöffnung elektromagnetische Strahlung in ein Gehäuse eingekoppelt bzw. aus dem Gehäuse ausgekoppelt werden kann. Hierzu ist in dem Gehäuse eine Öffnung vorgesehen, die mit einem für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Fenster bedeckt ist, welches an seinem Rand über eine Dichtung gegen das Gehäuse angepresst ist und das Gehäuse auch unter widrigen Bedingungen, wie einem Flüssigkeitsdruck von bis zu 100 bar und einer Temperatur von bis zu 50°C, dicht abschließt.
DE 102 46 762 A1 zeigt ein Kommunikationsfenster für ein druckfestes Gehäuse mit einer Durchgangsöffnung in einer Gehäusewandung, welches als optisch transparenter, länglicher Fensterkörper ausgebildet und innerhalb eines hülsenförmigen Schraubgewinderahmens angeordnet ist, welcher druckfest in die Durchgangsöffnung einschraubbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine optische Baugruppe zum Ein- und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in ein Gehäuse und/oder aus einem Gehäuse anzugeben, das explosionsgeschützt ist und insbesondere den Erfordernisse der Ex-Schutzzulassung „Ex-d“ (Druckfeste Kapselung) genügt. Dies bedeutet, dass im Falle einer inneren Explosion das druckfeste Gehäuse nicht beschädigt werden darf, und dass insbesondere ein Übertritt der Explosion über die Gehäusewand hinaus in die äußere Umgebung unterbunden werden muss. Ein Gehäuse, das diesen Erfordernissen genügt, wird hier und im Folgenden als druckfestes Gehäuse bezeichnet.
Die für die Ex-Schutzzulassung Ex-d zutreffenden Normen sind EN 50079 und EN 60079. In den USA, Kanada, Japan und weiteren Ländern gibt es mit diesen europäischen Normen vergleichbare Standards.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Baugruppe nach dem unabhängigen Anspruch 1.
Die optische Baugruppe zum Ein- und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs in ein druckfestes Gehäuse und/oder aus einem druckfesten Gehäuse, wobei die optische Baugruppe mindestens einen Gehäusewandabschnitt des druckfesten Gehäuses umfasst, welcher mindestens eine Durchgangsöffnung aufweist, weist in der Durchgangsöffnung mechanische Fassungsmittel auf, mit denen ein für die elektromagnetische Strahlung transparenter Festkörper gefasst ist, wobei der transparente Festkörper zwei einander gegenüberliegende Grundflächen und eine Zylindermantelfläche besitzt, und wobei die Fassungsmittel mindestens einen Fassungsring umfassen, wobei ein Volumenbereich zwischen mindestens einem ersten Abschnitt des Fassungsrings und mindestens einer Teilfläche der Zylindermantelfläche mit einer druckfesten Vergussmasse gefüllt ist.
Eine derart zusätzlich durch Vergießen gesicherte mechanische Fassung des transparenten Festkörpers gewährleistet gegenüber dem rein mechanischen Anpressen über einen Dichtring, wie es in DE 20 2006 014 464 U1 beschrieben ist, eine höhere Explosionssicherheit. Während ein herkömmlicher Dichtring unter starker Temperatur- und Druckerhöhung im Fall einer Explosion zerstört werden würde, kann zum Vergießen eine unter Explosionsschutz-Normen zugelassene Vergussmasse gewählt werden, die diesen Extrembedingungen standhält.
Zur Erreichung eines ausreichenden Explosionsschutzes ist es weiterhin erforderlich, dass es zu keiner Rissbildung im transparenten Festkörper oder zur Ausbildung eines Spalts zwischen der Zylindermantelfläche des transparenten Festkörpers und den Fassungsmitteln kommt. Ein derartiger Riss oder Spalt stellt gleichzeitig ein Leck des druckfesten Gehäuses dar. Beinhaltet das druckfeste Gehäuse beispielsweise eine Strahlungsquelle und ein Spektrometer zur Durchführung von Absorptions- oder ATR-Messungen, können der transparente Festkörper und die Fassungsmittel einem Temperaturbereich zwischen 20 und 60°C ausgesetzt sein. In einem derart breiten Temperaturbereich tritt bereits eine signifikante Materialausdehnung auf. Die dabei entstehenden Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten können zu Riss- oder Spaltbildungen führen. Auch durch mechanische Erschütterungen können Risse entstehen. Gegenüber dem Verschrauben des transparenten Festkörpers in der Gehäusewand, wie es in DE 102 46 762 beschrieben ist, hat das Vergießen daher den Vorteil, dass durch die Vergussmasse Spannungen in radialer Richtung reduziert bzw. Stöße abgedämpft werden. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Riss- oder Spaltbildung gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten in radialer Richtung nicht nachgiebigen Verschraubung in der Gehäusewand verringert.
Als „radial“ wird hier und im Folgenden die Richtung senkrecht zur optischen Achse der optischen Baugruppe bezeichnet. Die Richtung parallel zur optischen Achse wird entsprechend als „axial“ bezeichnet.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der mit der Vergussmasse gefüllte Volumenbereich zwischen dem ersten Abschnitt des Fassungsrings und der Zylindermantelfläche in axialer Richtung eine Länge von mindestens 10 mm auf. In radialer Richtung beträgt die Vergussdicke mindestens 3 mm.
Erfindungsgemäß weist der Fassungsring einen zweiten Abschnitt auf, welcher mit einer Ferulle zur Aufnahme mindestens einer optischen Faser derart verbunden ist, dass aus der optischen Faser austretende Strahlung auf die der optischen Faser zugewandte Grundfläche des transparenten Festkörpers trifft bzw. dass aus der der optischen Faser zugewandten Grundfläche austretende Strahlung auf die Einkoppelfläche der optischen Faser fokussiert wird. Mit einer solchen Anordnung ist gewährleistet, dass die aus dem Gehäuse austretende Strahlung mit möglichst geringen Strahlungsverlusten in die optische Faser eingekoppelt wird bzw. dass die aus der Faser austretende Strahlung entsprechend mit möglichst geringen Verlusten in das Gehäuse eingekoppelt und von einem im Gehäuse angeordneten Empfänger aufgenommen werden kann.
Erfindungsgemäß bildet der Gehäusewandabschnitt gleichzeitig die Wand eines weiteren, direkt an das druckfeste Gehäuse anschließenden zweiten Gehäuses, welches mindestens den zweiten Abschnitt des Fassungsrings mit der Ferulle und mindestens einen Abschnitt der in der Ferulle befestigten optischen Faser umschließt. Ein solches weiteres Gehäuse dient zum Schutz der empfindlichen optischen Fasern vor mechanischen oder chemischen Beschädigungen oder vor Beschädigung durch Lichteinstrahlung, z.B. vor Sonnenlicht.
Erfindungsgemäß verjüngt sich das zweite Gehäuse mit zunehmendem Abstand von dem Gehäusewandabschnitt des druckfesten Gehäuses und besitzt an seinem dem Gehäusewandabschnitt entgegen gesetzten Ende eine Aufnahme für ein Sensorrohr.
Das Sensorrohr dient als Aufnahme für die mindestens eine optische Faser. Auf diese Weise wird die optische Faser im zweiten Gehäuse noch besser fixiert und die Gefahr einer mechanischen Beschädigung verringert.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist auch das zweite Gehäuse mit einer Vergussmasse ausgegossen. Das Ausgießen auch dieses weiteren Gehäuses dient zur zusätzlichen Abdichtung des druckfesten Gehäuses und verbessert die Explosionssicherheit.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der zweite Abschnitt des Fassungsrings mit einer axialen Länge von mindestens 10 mm in das zweite Gehäuse mit der Vergussmasse hineinragt. Mit einer solchen Vergusslänge sind die Anforderungen der genannten Explosionsschutznormen, insbesondere der für die Vergusskapselung relevanten Normen, erfüllt.
Zur mechanischen Befestigung des Fassungsrings in der Durchgangsöffnung kann ein in dem Gehäusewandabschnitt radial verlaufender Gewindestift vorgesehen sein. Eine derartige Befestigung ist konstruktiv einfach, da keine weiteren Fassungsbauteile benötigt werden, und beim Zusammenbau der optischen Baugruppe vor dem Vergießen auch leicht wieder lösbar.
Die Grundflächen des transparenten Festkörpers können als Planflächen oder in einer bevorzugten Ausführungsform als konvex gekrümmte Flächen ausgestaltet sein. Die Gestaltung der Grundflächen als konvexe Flächen erlaubt die Fokussierung eines aus einer Lichtquelle austretenden divergenten Lichtstrahls auf die optische Faser. Auf diese Weise können Lichtverluste minimiert werden. Der transparente Festkörper wirkt in diesem Fall als Linse, genauer als Sammellinse. Sind die Grundflächen des transparenten Festkörpers als Planflächen ausgestaltet, wirkt er lediglich als Fenster. Auch die Ausgestaltung des transparenten Festkörpers als Fresnel-Linse ist möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Fassungsmittel neben dem Fassungsring auf der dem druckfesten Gehäuse abgewandten Seite eine zylindrische Aperturbegrenzung, insbesondere in Form eines Vorsprungs des Fassungsrings, als Auflage für den transparenten Festkörper. Der Vorsprung dient gleichzeitig als axialer Anschlag für den Festkörper und sorgt somit für die korrekte axiale Positionierung des Festkörpers.
Weiterhin können die Fassungsmittel auf der dem druckfesten Gehäuse zugewandten Seite einen Vorschraubring aufweisen, der der Fixierung des transparenten Festkörpers in axialer Richtung dient. Der Gewindespalt des Vorschraubrings ist entsprechend der oben genannten Normen für ein druckfestes Gehäuse bemessen. Die optische Achse wird im Fall einer Ausgestaltung des transparenten Festkörpers als Sammellinse, d.h. mit zwei konvexen Grundflächen, durch die optische Achse des transparenten Festkörpers definiert. Falls der transparente Festkörper als Planparallelplatte, also mit planen Grundflächen, ausgestaltet ist, ist die optische Achse die Symmetrieachse des rotationssymmetrischen transparenten Festkörpers.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die optische Faser mit einer Sonde verbunden, beispielsweise mit einer Transmissions-Zelle oder einer ATR-Sonde, insbesondere zur Durchführung von Messungen in Flüssigkeiten.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht der transparente Festkörper aus ZnSe, Ge, Diamant oder Saphir. Diese Materialien sind transparent für Infrarot-Strahlung und sind daher für den Einsatz in optischen Sensoren, die in diesem Wellenlängenbereich arbeiten, besonders geeignet.
Um eine genügende Explosionssicherheit zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn die Vergussmasse eine UL-Zertifizierung besitzt, d.h. den von der US-Organisation Underwriters Laboratories Inc. vorgegebenen Standards für Vergussmassen für den Explosionsschutz entspricht. Eine derartige Vergussmasse kann beispielsweise aus zwei Komponenten bestehen, wobei die erste Komponente ein Epoxidharz mit einem anorganischen Füllstoff und die zweite Komponente ein Härter auf Polyaminbasis sein kann.
Ein druckfestes Gehäuse, welches explosionsgeschützt ist und insbesondere die oben genannten Normen erfüllt, umfasst mindestens eine optische Baugruppe zum Ein- und Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen. Bevorzugt wird ein solches druckfestes Gehäuse zur Aufnahme einer Lichtquelle und/oder eines Detektors, insbesondere eines Spektrometers in einem optischen Sensor, beispielsweise für Absorptions- oder ATR-Messungen verwendet.
In einer Ausgestaltung ist die optische Baugruppe mit dem Gehäusewandabschnitt, in dem die beschriebene Durchgangsöffnung zum Ein- und Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist, mittels einer Überwurfmutter an mindestens einem weiteren Gehäusemodul befestigt, so dass die optische Baugruppe gemeinsam mit dem Gehäusemodul einen druckfest abgeschlossenen Raum einschließt. Auch Gewindespalte und Dichtungen der Überwurfmutter sind so gewählt, dass sie den relevanten Explosionsschutz-Normen entsprechen.
In einer speziellen Weiterbildung dieser Ausgestaltung bildet die optische Baugruppe mit dem Gehäusewandabschnitt, in welchem der transparente Festkörper gefasst ist und mit dem zweiten, direkt an das druckfeste Gehäuse anschließenden Gehäuse eine druckfeste, also den Explosionsschutz-Normen konforme, doppelwandige Abdeckung für das druckfeste Gehäuse. In diesem Fall ist es vorteilhaft nur noch ein weiteres Gehäusemodul vorzusehen. Die optische Baugruppe wird dann mittels einer Überwurfmutter an dem weiteren Gehäusemodul als doppelwandiger „Deckel“ befestigt (vgl. auch 3), so dass ein druckfest abgeschlossener Raum entsteht.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:

1: Eine Prinzipskizze der optischen Baugruppe;
2: Eine Prinzipskizze der optischen Baugruppe mit einem die optischen Fasern umgebenden zusätzlichen Gehäuse;
3: Eine Prinzipskizze des druckfesten Gehäuses mit der optischen Baugruppe zum Ein- und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in das Gehäuse hinein bzw. aus dem Gehäuse heraus;

1 zeigt eine optische Baugruppe 1 zum Ein- und/oder Auskoppeln elektromagnetischer Strahlung in ein druckfestes Gehäuse und/oder aus einem druckfesten Gehäuse. In der dem Gehäusewandabschnitt 3 des druckfesten Gehäuses befindet sich eine Durchgangsöffnung 5. Die Durchgangsöffnung 5 erlaubt den Durchtritt von elektromagnetischer Strahlung, die entweder von einer in dem druckfesten Gehäuse angeordneten Strahlungsquelle in eine außerhalb des Gehäuses angebrachten Sonde eingekoppelt werden kann, oder umgekehrt von der Sonde zurück ins Gehäuse eingekoppelt werden kann, wo sie auf ein ebenfalls im druckfesten Gehäuse angeordneten Detektor eines Spektrometers trifft.
In der Durchgangsöffnung 5 ist eine bikonvexe Sammellinse 7 mit einer umlaufenden Linsenrandfläche 9, welche als Zylindermantelfläche ausgestaltet ist, in einem Fassungsring 11 angeordnet. Die bikonvexe Sammellinse 7 besteht aus einem für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Festkörper. Bei Verwendung von Infrarotstrahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich von 4 bis 15 µm, sind geeignete transparente Materialien beispielsweise Zinkselenid (ZnSe), Germanium (Ge), Saphir (Al₂O₃) oder Diamant.
Der Fassungsring 11 umfasst mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Wandstärken. Ein erster Fassungsringabschnitt 13 ist um die Linsenrandfläche 9 herum angeordnet, wobei die Innenwand dieses Fassungsringabschnitts 13 umlaufend im Wesentlichen in konstantem radialem Abstand D zur Linsenrandfläche 9 der Sammellinse 7 verläuft. Eine Aperturbegrenzung 15, welche als Vorsprung des Fassungsrings 11 ausgebildet ist, dient der Sammellinse 7 auf der vom Gehäuseinneren abgewandten Seite als axialer Anschlag. Zur axialen Fixierung der Sammellinse 7 dient ein Vorschraubring 17 auf der der Aperturbegrenzung 15 entgegen gesetzten Seite der Sammellinse 7, welcher über ein Gewinde 19 in einem stufenartig radial in Richtung zur optischen Achse OA hin abgesetzten zweiten Abschnitt 21 des Fassungsrings 11 eingeschraubt ist.
Der Vorschraubring 17 kann zusätzlich mit einem schnell trocknenden Schraubensicherungs-Klebstoff 23 gesichert sein. Solche Klebstoffe, beispielsweise Kleber auf Epoxidharz-Basis oder schnell trocknende Cyanoacrylat-Gewindekleber, sind dem Fachmann bekannt.
Der Fassungsring 11 mit dem ersten Abschnitt 13, dem abgesetzten zweiten Abschnitt 21 und der Aperturbegrenzung 15 bildet zusammen mit der Linsenrandfläche 9 einen Zwischenraum, in dem sich eine Vergussmasse 25 befindet. Diese ist idealerweise so eingegossen, dass sie den Zwischenraum blasenfrei ausfüllt. Zum Einfüllen der Vergussmasse 25 in den Zwischenraum sind im Fassungsring 11 Durchgangsbohrungen 18 vorgesehen. Diese Durchgangsbohrungen 18 befinden sich in der durch die radiale Absetzung des zweiten Abschnitts 21 des Fassungsrings gebildeten stimseitigen Ringfläche. Die Vergusslänge L1 und die Vergussdicke D sind so bemessen, dass sie mindestens gleich der nach der europäischen Explosionsschutz-Norm EN 60079 vorgeschriebenen Vergusslänge und Vergussdicke sind. Diesen Standards entsprechen vergleichbare Standards anderer Länder wie USA, Japan oder Kanada. Beispielsweise wird in EN 60079 bei einem Volumen des druckfesten Gehäuses von mehr als 100 cm³ eine Vergusslänge L1 von mindestens 10 mm gefordert. Weiterhin wird eine Vergussdicke D von mindestens 3 mm benötigt. Als gemäß der genannten Normen geeignete Vergussmassen kommen UL-zertifizierte Vergussmassen, beispielsweise Zweikomponentensysteme mit einer ersten Komponente aus einem Epoxydharz mit einem anorganischen Füllstoff und einem Polyamin-basierten Härter, in Frage.
Auf der von der Sammellinse 7 abgewandten Seite der Aperturbegrenzung 15 besitzt der Fassungsring 11 einen dritten Abschnitt 27. Dieser Abschnitt 27 weist auf seiner Innenseite ein Gewinde 29 auf, in das eine Ferulle 31 gegen einen axialen Anschlag 33 eingeschraubt ist.
Die Ferulle 31 dient zur Positionierung einer von einer Sonde kommenden optischen Faser 35 oder eines von der Sonde kommenden Faserbündels bezüglich der Sammellinse 7. Der axiale Anschlag 33 ist als radialer Vorsprung an der Mantelfläche der Ferulle 31 ausgebildet. Die Ferulle 31 besitzt in ihrer der Sammellinse 7 zugewandten Seite eine zentrale Durchgangsbohrung 37 zur Positionierung der optischen Faser 35 bzw. des Faserbündels. Die Faser 35 oder das Faserbündel kann in die Bohrung 37 eingeklebt sein, beispielsweise mit einem Epoxidharzbasierten Kleber oder einem schnell trocknenden Cyanoacrylat-basierten Kleber.
Die optische Faser 35 besteht aus einem für die elektromagnetische Strahlung transparenten Material. Im Falle der Verwendung von Infrarot-Strahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich von 4 bis 15 µm kann die Faser 35 aus Silberhalogenid bestehen. Die Ferulle 31 besteht aus einem mechanisch hinreichend formstabilen und mit dem Silberhalogenid der Faser 35 chemisch verträglichen Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff, beispielsweise aus PEEK, oder einem Metall, beispielsweise Ag, Au oder Ti.
Die Ferulle 31 wird bezüglich der Sammellinse 7 derart positioniert, dass aus der Sammellinse 7 austretende Strahlung auf die der konvexen Linsenfläche zugewandten Stirnfläche der optischen Faser 35 fokussiert wird bzw. dass aus der entsprechenden Stirnfläche der optischen Faser 35 austretende Strahlung mit möglichst geringen Strahlungsverlusten im wesentlichen vollständig von der Sammellinse 7 aufgenommen wird. In radialer Richtung wird diese Positionierung durch die Verschraubung der Ferulle 31 mit dem Abschnitt 27 des Fassungsrings 11 vorgegeben. Die axiale Positionierung erfolgt über den axialen Anschlag 33 der Ferulle 31.
Die Ferulle 31 weist weiterhin auf der dem druckfesten Gehäuse abgewandten Seite eine zentrale Sackbohrung 39 auf, durch welche die optische Faser 35 von der Sonde her kommend zur Bohrung 37 geführt wird. Zur Sonde hin wird die optische Faser 35 in einem Führungsrohr 41 geführt, welches aus dem gleichen Material wie die Ferulle 31, insbesondere aus PEEK, bestehen kann. Dieses Führungsrohr 41 dient zur Führung und gleichzeitig zum Schutz der empfindlichen optischen Faser 35 vor mechanischen Belastungen, die zur Beschädigung der Faser 35 führen könnten.
Der Fassungsring 11 wird in dem Gehäusewandabschnitt 3 mit einem innerhalb des Gehäusewandabschnitts 3 radial verlaufenden Gewindestift, hier nicht dargestellt, festgehalten. Diese Art der Fixierung erlaubt eine konstruktiv einfache, mit einfachen Mitteln wieder zu lösende, jedoch ausreichende Fixierung des Fassungsrings 11 in dem Gehäusewandabschnitt 3. Die axiale Positionierung des Fassungsrings 11 in dem Gehäusewandabschnitt 3 erfolgt über einen axialen Anschlag 42, der als radialer Vorsprung am Fassungsring 11 ausgebildet sein kann, der in einen ringförmigen Vorsprung 44 des Gehäusewandabschnitts 3 eingreift. Der Fassungsring 11 kann aus einem geeigneten korrosionsresistenten Stahl, wie beispielsweise VA 1.4371, gefertigt sein.
Als weitere Explosionsschutzmaßnahme kann ein weiteres Gehäuse zur Aufnahme der optischen Faser 35 an den Gehäusewandabschnitt 3 des druckfesten Gehäuses anschließen, welches ebenfalls mit Vergussmasse 25 ausgegossen ist. Eine optische Baugruppe 2 mit einem solchen weiteren Gehäuse ist in 2 dargestellt.
Das weitere Gehäuse ist hier als Trichter 43 gestaltet, der mittels dreier, hier nicht dargestellter, axialer Schrauben mit dem Gehäusewandabschnitt 3 verbunden ist und an einem ringförmigen Vorsprung 45 des Gehäusewandabschnitts 3 angreift. Der Trichter 43 verjüngt sich mit zunehmendem Abstand von dem Gehäusewandabschnitt 3. Am dem Gehäusewandabschnitt 3 entgegen gesetzten Ende des Trichters 43 ist im Trichterhals eine zylindrische Bohrung 47 vorgesehen, die zur Aufnahme eines Sondenrohrs 49 dient. Das Sondenrohr 49 ist in eine Fassung 51 eingeschraubt. Zusätzlich oder alternativ kann das Sondenrohr 49 auch mit einem Sicherungsring in der Fassung 51 gehalten werden. Die Fassung 51 ist mittels zweier Madenschrauben, hier nicht dargestellt, in der zylindrischen Bohrung 47 befestigt. Die Fassung 51 dient dazu, das Sondenrohr 49 bezüglich der von der Ferulle 31 her im Führungsrohr 41 geführten optischen Faser 35 zu positionieren. Das Sondenrohr 49 und die Fassung 51 sind so ausgelegt, dass auch mehrere Führungsrohre durch sie geführt werden können. Somit ist es möglich, mehrere optische Baugruppen in dem Gehäusewandabschnitt 3 vorzusehen, durch die Strahlung in das druckfeste Gehäuse eingekoppelt bzw. aus dem druckfesten Gehäuse ausgekoppelt werden kann. In 2 sind beispielsweise zwei derartige Baugruppen dargestellt.
Der Trichterinnenraum 53 ist mit einer nach den genannten Explosionsschutznormen zulässigen Vergussmasse 25 ausgegossen. Dieser Verguss verbessert die Explosionssicherheit, insbesondere bezüglich der Verbindungsstelle zwischen dem Fassungsring 11 und dem Gehäusewandabschnitt 3, die ohne den Verguss nur mittels des, hier nicht dargestellten, in dem Gehäusewandabschnitt 3 verlaufenden Gewindestifts in dem Gehäusewandabschnitt 3 gebildet wird. Um die Anforderungen des Explosionsschutzes zu erfüllen, ist die Vergusslänge L2, siehe 1, die dem Abstand zwischen dem axialen Anschlag 42 des Fassungsrings 11 und der von dem Gehäusewandabschnitt 3 abgewandten Stirnseite des Fassungsrings 11 entspricht, entsprechend den Explosionsschutz-Normen gewählt, insbesondere mindestens 10 mm bei einer Gehäusegröße von mehr als 100 cm³.
In dem Gehäusewandabschnitt 3 sind eine oder mehrere Durchgangsbohrungen 55 vorgesehen, die dem Einfüllen der Vergussmasse 25 in den Trichter 43 dienen (1).
In 2 sind zwei in einem Gehäusewandabschnitt 3 vorgesehene transparente Festkörper samt Fassungsmitteln zum Ein- und/oder Auskoppeln elektromagnetischer Strahlung in das und/oder aus dem druckfesten Gehäuse gezeigt. Je nach Anwendungsbereich können ein oder mehrere transparenter Festkörper vorgesehen sein. Auch kann jeder transparente Festkörper mit einer oder mehreren optischen Fasern 35 gekoppelt sein. Die Ankopplung mehrerer Fasern ist beispielsweise wünschenswert, wenn gleichzeitig mehrere verschiedenartige Signale übertragen werden sollen, beispielsweise bei einer gleichzeitigen faserbasierten Temperaturmessung zusätzlich zur Aufnahme eines ATR-Spektrums. Auch können bei spektroskopischen Messungen gleichzeitig Messlicht und ohne Probenkontakt direkt von der Lichtquelle kommendes Referenzlicht über verschiedene Fasern übertragen werden.
3 zeigt ein druckfestes Gehäuse 56 mit der zuvor beschriebenen Baugruppe 2, welche einen Gehäusewandabschnitt 3 mit zwei darin gefassten transparenten Festkörpern sowie ein weiteres Gehäuse in Form eines Trichters 43 umfasst. Das druckfeste Gehäuse 56 wird aus einem Gehäusemodul 61 und der Baugruppe 2 gebildet. Der Trichter 43 und der Gehäusewandabschnitt 3 sind mittels einer Überwurfmutter 57 über das Gewinde 59 an dem Gehäusemodul 61 befestigt. Ein dichter Abschluss zwischen dem Gehäusemodul 61 und der Überwurfmutter wird durch einen O-Ring 58 gewährleistet. Eine Abdichtung zwischen dem Trichter 43 und der Überwurfmutter erfolgt mittels eines Dichtrings 60. Der Gewindespalt der Überwurfmutter 57 ist entsprechend der eingangs genannten Normen der druckfesten Kapselung bemessen.
Die Baugruppe 2 mit Gehäusewandabschnitt 3 und Trichter 43 bildet somit eine druckdichte, doppelwandige Abdeckung für das Gehäusemodul 61, welches die übrigen Wände des druckfesten Gehäuses bildet. Der auf diese Weise gebildete Gehäuseinnenraum 63 ist auf diese Weise druckfest abgeschlossen, so dass er eine explosionsgeschützte Aufnahme beispielsweise für eine Lichtquelle und/oder ein Spektrometer für optische Messungen bildet.
Im Gehäusemodul 61 ist weiterhin eine in 3 nicht gezeigte Grundplatte fixiert, auf der beispielsweise ein Spektrometer aufgebaut und fixiert werden kann. Gleichzeitig verhindert die Grundplatte im Falle einer Explosion, dass das die Baugruppe 2 mit dem Gehäusewandabschnitt 3 und dem Trichter 43 in das Gehäuse hineingedrückt wird.
Das Gehäusemodul 61 weist einen vom Innenraum 63 abgetrennten weiteren Anschlussraum 65 auf, der zur Aufnahme elektrischer Zuleitungen dient. Dieser weitere Anschlussraum 65 ist so gestaltet, dass er den Erfordernissen der Explosionsschutz-Zulassung „Ex-e“ genügt. Die elektrische Versorgung der im Gehäuseinnenraum 63 angeordneten Komponenten erfolgt mittels elektrischer Anschlüsse 67 über in 3 nicht gezeigte Durchführungen in der Außenwand des druckfesten Gehäuses 56. Mittels einer konventionellen Kabeldurchführung gemäß Exd- und Ex-e-Schutzzulassung sind die Zuleitungen vom Anschlussraum 65 mit den im Gehäuseinnenraum 63 angeordneten Komponenten verbunden.

Claims

Optische Baugruppe (1) zum Ein- und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs in ein druckfestes Gehäuse und/oder aus einem druckfesten Gehäuse, wobei die optische Baugruppe (1) mindestens einen Gehäusewandabschnitt (3) des druckfesten Gehäuses umfasst, welcher mindestens eine Durchgangsöffnung (5) aufweist, wobei in der Durchgangsöffnung (5) mechanische Fassungsmittel vorgesehen sind, mit denen ein für die elektromagnetische Strahlung transparenter Festkörper gefasst ist, wobei der transparente Festkörper zwei einander gegenüberliegende Grundflächen und eine Zylindermantelfläche (9) aufweist, und wobei die Fassungsmittel mindestens einen Fassungsring (11) umfassen, wobei ein Volumenbereich zwischen mindestens einem ersten Abschnitt (13) des Fassungsrings (11) und mindestens einer Teilfläche der Zylindermantelfläche (9) mit einer druckfesten Vergussmasse (25) gefüllt ist, wobei der Fassungsring (11) einen zweiten Abschnitt (27) aufweist, welcher mit einer Ferulle (31) zur Aufnahme mindestens einer optischen Faser (35) derart verbunden ist, dass aus der optischen Faser (35) austretende Strahlung auf die der optischen Faser (35) zugewandte Grundfläche des transparenten Festkörpers trifft, wobei Gehäusewandabschnitt (3) die Wand eines weiteren, direkt an das druckfeste Gehäuse anschließenden zweiten Gehäuses bildet, welches mindestens den zweiten Abschnitt (27) des Fassungsrings (11) mit der Ferulle (31) und mindestens einen Abschnitt der in der Ferulle (31) befestigten optischen Faser (35) umschließt, und das zweite Gehäuse sich mit zunehmendem Abstand von dem Gehäusewandabschnitt (3) des druckfesten Gehäuses verjüngt und an seinem dem Gehäusewandabschnitt (3) entgegen gesetzten Ende eine Aufnahme für ein Sensorrohr (49) besitzt.
Optische Baugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei der mit der Vergussmasse (25) gefüllte Volumenbereich zwischen dem ersten Abschnitt (13) des Fassungsrings (11) und der Zylindermantelfläche (9) in axialer Richtung eine Länge (L1) von mindestens 10 mm und in radialer Richtung eine Dicke (D) von mindestens 3 mm aufweist.
Optische Baugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei das Sensorrohr als Aufnahme für die mindestens eine optische Faser (35) dient.
Optische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Gehäuse mit Vergussmasse (25) ausgegossen ist.
Optische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Abschnitt (27) des Fassungsrings (11) mit einer Länge (L2) von mindestens 10 mm in das zweite Gehäuse mit Vergussmasse (25) hineinragt.
Optische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Fassungsring (11) mittels eines in dem Gehäusewandabschnitt (3) radial verlaufenden Gewindestifts in dem Gehäusewandabschnitt (3) fixiert ist.
Optische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Grundflächen des transparenten Festkörpers Planflächen oder konvex gekrümmte Flächen sind.
Optische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Fassungsring (11) weiterhin auf der dem druckfesten Gehäuse abgewandten Seite eine zylindrische Aperturbegrenzung (15) als Auflage für den transparenten Festkörper aufweist.
Optische Baugruppe (1) nach Anspruch 8, wobei die zylindrische Aperturbegrenzung in Form eines radialen Vorsprungs des Fassungsrings (11) ausgestaltet ist.
Optische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Fassungsmittel weiterhin auf der dem druckfesten Gehäuse zugewandten Seite einen mit dem Fassungsring (11) verschraubten Vorschraubring (17) umfassen, mittels dessen der transparente Festkörper in axialer Richtung fixiert ist.
Optische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die optische Faser (35) mit einer Transmissions-Zelle oder einer ATR-Sonde verbunden ist.
Druckfestes Gehäuse (56) umfassend mindestens einen Gehäusewandabschnitt (3) mit mindestens einer optischen Baugruppe (1) zum Ein- und Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Druckfestes Gehäuse (56) nach Anspruch 12, wobei die optische Baugruppe (1) mittels einer Überwurfmutter (57) an einem weiteren Gehäusemodul (61) befestigt ist, so dass die optische Baugruppe (1) gemeinsam mit dem Gehäusemodul (61) einen druckfest abgeschlossenen Raum (63) einschließt.