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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Ermittlung von Partikeln in einem Messfluid nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 42 18 638 A1 wird eine Messeinrichtung zur Bestimmung von Partikeln in einer Suspension beschrieben, bei der die Suspension mit den Partikeln durch eine Messküvette geleitet wird, welche quer zur Durchströmungsrichtung von Laserlicht angestrahlt wird. Die Partikel in der Suspension erzeugen ein Streulichtmuster, das in einer Videokamera aufgenommen und untersucht wird. Aus dem Streulichtmuster kann die Partikelgrößenverteilung errechnet werden.
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Bei derartigen Messeinrichtungen besteht die Gefahr einer Verschmutzung der Wandbereiche der Messküvette durch die in der Suspension enthaltenen Partikel. Die Messküvette muss daher regelmäßig gereinigt werden, was jedoch einen erheblichen Aufwand darstellt.
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Zum anderen weisen randnahe Bereiche der Suspension in der Messküvette eine geringere Geschwindigkeit auf als der mittige durch die Messküvette hindurchgeführte Suspensionsstrom. Diese Geschwindigkeitsverteilung führt zu einer Verweilzeitverteilung, wodurch Abweichungen bei der Anzahl der detektierten Partikel entstehen können. Zum einen entsteht eine Mehrfachdetektion der Partikel im Randbereich. Zum anderen werden Partikel im Zentrum der Strömung eventuell nicht erfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zur Ermittlung von Partikeln in einem Messfluid mit einfachen konstruktiven Maßnahmen so auszubilden, dass über einen langen Betriebszeitraum eine präzise Arbeitsweise der Messeinrichtung gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Messeinrichtung wird zur Ermittlung von Partikeln in einem Messfluid eingesetzt. Bei dem Messfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Suspension, bestehend aus einer Flüssigkeit und den darin verteilten, als Festkörper ausgebildeten Partikeln, beispielsweise Fasern. Es kommen aber auch Ausführungen in Betracht, bei denen das Messfluid gasförmig ausgeführt ist und als Festkörper ausgeführte Partikel mit sich führt.
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Das Messfluid stammt beispielsweise aus der Prüfung eines Filterelementes, dessen Filtermediumkörper von dem sauberen Messfluid ohne Partikel durchströmt wird, wobei stromab des Filtermediumkörpers das Messfluid aufgefangen bzw. in die Messeinrichtung zur Ermittlung der Partikel geleitet wird, welche sich beim Durchströmen des Filterelementes von dem Filtermediumkörper gelöst haben.
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Die Messeinrichtung weist eine Messküvette auf, durch die das Messfluid geleitet wird. Die Messküvette wird quer zur Strömungsrichtung des Messfluids von Licht angestrahlt, wobei die Partikel einen Teil des Lichts abschatten, aus dem die Anzahl, die Größe und/oder die Verteilung der Partikel im Messfluid bestimmt werden kann. Bei dem Licht handelt es sich vorzugsweise um Laserlicht. Die Messküvette wird bevorzugt orthogonal zur Durchströmungsrichtung des Messfluids von dem Licht angestrahlt. Die Messküvette ist vorteilhafterweise geradlinig ausgebildet, wobei auch gekrümmte Ausführungen möglich sind.
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Durch die Messküvette ist zusätzlich zu dem Messfluid, das die Partikel aufweist, auch ein Sekundärfluid geführt, welches einen geringeren Verschmutzungsgrad als das Messfluid aufweist und insbesondere als Reinfluid ausgeführt ist. Es handelt sich vorzugsweise bei dem Messfluid und dem Sekundärfluid um das gleiche Fluid, beispielsweise um Wasser oder um eine sonstige Flüssigkeit. Das Messfluid und das Sekundärfluid werden in einem gemeinsamen Strömungsraum ohne zwischenliegende, separierende Wände durch die Messküvette hindurchgeführt, wobei das Sekundärfluid eine Mantelströmung bildet, die das Messfluid innerhalb der Messküvette umschließt.
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Das Messfluid wird mittig durch die Messküvette geführt, das Sekundärfluid liegt dagegen radial weiter außen zwischen dem mittig geführten Messfluid und der Innenwand der Messküvette.
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Diese Ausführung weist verschiedene Vorteile auf. Indem das Sekundärfluid, welches einen geringeren Verschmutzungsgrad als das Messfluid aufweist, unmittelbar an der Innenwand der Messküvette geführt ist, können sich keine oder nur wenige Partikel an der Innenwand der Messküvette anlagern, so dass die Innenwand über einen längeren Betriebszeitraum frei von Partikeln bleibt. Hierdurch wird auch die Messgenauigkeit verbessert, da abgelagerte Partikel an der Innenwand das Messergebnis verfälschen können.
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Da der Verschmutzungsgrad der Innenwand der Messküvette geringer ist, kann eine Reinigung der Messküvette in größeren Zeitabständen durchgeführt werden. Des Weiteren ist es möglich, die Messküvette im zusammengebauten Zustand, also ohne Demontage zu reinigen. Es handelt sich um ein „cleaning in place” Design (vor Ort reinigbar).
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Vorteilhaft ist außerdem, dass die verminderte Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Innenwand der Messküvette innerhalb des Sekundärfluids stattfindet, wohingegen das Messfluid, das sich mittig und mit Abstand zu Innenwand durch die Messküvette bewegt, über ihren Querschnitt orthogonal zur Strömungsrichtung ein zumindest annähernd konstantes Geschwindigkeitsprofil aufweist. Es gibt somit innerhalb des Messfluids keine Strömungsfäden mit unterschiedlichen Messgeschwindigkeiten, die zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen könnten. Vielmehr wird eine Vereinheitlichung des Geschwindigkeitsprofils innerhalb des Messfluids und der darin mitgeführten Partikel erreicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung wird das Sekundärfluid über ein Zuführrohr in die Messküvette eingeleitet. Das Zuführrohr mündet in die Messküvette ein, wobei sowohl separate Ausführungen von Zuführrohr und Messküvette als auch einteilige Ausführungen möglich sind.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Zuführrohr als ein Doppelrohr ausgebildet, welches ein Innenrohr und ein umgreifendes Außenrohr aufweist, wobei durch das Innenrohr das Messfluid und durch den Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr das Sekundärfluid geführt ist. Das Zuführ- bzw. Doppelrohr dient somit sowohl für die Zufuhr des Messfluids als auch für die Zufuhr des Sekundärfluids in die Messküvette. Aufgrund der Ausführung als Doppelrohr ist eine Separierung von Messfluid und Sekundärfluid innerhalb des Zuführrohrs gewährleistet. Das Zuführrohr ist vorteilhafterweise geradlinig ausgebildet. In der Messküvette grenzen dagegen das Messfluid und das Sekundärfluid aneinander an.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung besitzen das Doppelrohr und die Messküvette unterschiedliche Querschnittsgeometrien, beispielsweise kann das Doppelrohr einen runden Querschnitt und die Messküvette einen rechteckförmigen Querschnitt haben. Gleichwohl sind auch Ausführungen möglich, bei denen Zuführrohr und Messküvette die gleiche Querschnittsgeometrie besitzen. Die rechteckförmige Querschnittsgeometrie im Bereich der Messküvette ist im Hinblick auf die Anstrahlung mit Laserlicht vorteilhaft.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung besitzt das Doppelrohr eine größere Querschnittsfläche als die Messküvette. Hierdurch wird beim Übergang der Strömungen vom Doppelrohr zur Messküvette eine Strömungsbeschleunigung erreicht und eine Turbulenzbildung vermieden. Innerhalb des Zuführrohrs können die Fluide unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten besitzen.
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Bei unterschiedlich großen Querschnittsflächen zwischen dem Zuführrohr und der Messküvette erfolgt der Übergang vorteilhafterweise mithilfe eines Übergangskonus, der im Bereich der Anbindung an das Zuführrohr an dessen Querschnittsgeometrie und im Bereich der Messküvette an deren Querschnittsgeometrie angepasst ist. Über die axiale Länge des Übergangskonus verringert sich die Querschnittsfläche, was mit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide einhergeht.
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Es kann vorteilhaft sein, einen Konuswinkel im Übergangskonus von maximal 65° vorzusehen. Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass das Innenrohr innerhalb des Zuführrohrs noch bereits vor dem Übergangskonus endet, so dass bereits im Übergangskonus das Messfluid und das Sekundärfluid unmittelbar aneinandergrenzen, wobei das Sekundärfluid als Mantelströmung das Messfluid einschließt.
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Innerhalb des als Doppelrohr ausgeführten Zuführrohrs beträgt das Querschnittsflächenverhältnis von Innenrohr zum Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr vorteilhafterweise mindestens 1.5. Dementsprechend weist das Innenrohr ein größeres Querschnittsflächenverhältnis auf als der umgreifende Ringraum, so dass ein verhältnismäßig größerer Fluidmassenstrom des Messfluids durch das Innenrohr geleitet werden kann. Da der Abfall der Strömungsgeschwindigkeit in der Messküvette nur in den randnahen Bereichen stattfindet, genügt es, einen entsprechend kleineren Massenstrom des Sekundärfluids im äußeren Ringraum vorzusehen.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung beträgt das Querschnittsflächenverhältnis von Innenrohr zur Messküvette mindestens 2, so dass das Innenrohr innerhalb des Zuführrohrs mindestens die doppelte Querschnittsfläche im Vergleich zur Messküvette aufweist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ragt in das Zuführrohr, insbesondere in der Ausführung als Doppelrohr, ein seitlicher Einströmstutzen ein, der mit dem Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr strömungsverbunden ist. Über das Doppelrohr wird das Sekundärfluid in das Zuführrohr eingeleitet. Das Messfluid wird beispielsweise über die axiale Stirnseite in das Innenrohr innerhalb des Zuführrohrs eingeführt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Messeinrichtung zur Ermittlung von Partikeln in einem Messfluid, insbesondere einer Suspension, mit einem als Doppelrohr ausgeführten Zuführrohr und einer Messküvette, wobei das Zuführrohr über einen Übergangskonus mit der Messküvette verbunden ist,
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2 in perspektivischer Ansicht die Messeinrichtung mit zylindrischem Zuführrohr und rechteckförmiger Messküvette,
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3 die Messeinrichtung gemäß 2 im Längsschnitt,
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4 eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung entlang einer zum Laserlicht lotrechten Achse.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die in 1 gezeigte Messeinrichtung 1 wird zur Ermittlung von Partikeln in einer Suspension eingesetzt. Die Messeinrichtung 1 umfasst ein als Doppelrohr ausgeführtes Zuführrohr 2 und eine Messküvette 3, die koaxial hintereinanderliegend angeordnet sind. Zuführrohr und Messküvette 3 sind jeweils geradlinig ausgeführt. Im Bereich der Messküvette 3 wird Laserlicht 4 orthogonal zur Strömungsrichtung bzw. Längsachse der Messküvette durch diese hindurchgeleitet. Über das den Schattenwurf, welches von dem Laserlicht 4 aufgrund von in dem Fluid durch die Messküvette 3 mitgeführten Partikeln erzeugt wird, kann auf die Anzahl, Größe und/oder die Verteilung der Partikel in dem Messfluid 5 geschlossen werden, welches durch die Messküvette 3 hindurchgeführt wird.
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Zusätzlich zu dem Messfluid 5, welches als Messgröße/Ziel Partikeln, beispielsweise Fasern enthält, wird ein Sekundärfluid 6 durch die Messküvette 3 hindurchgeführt. Das Sekundärfluid 6 schließt als Mantelströmung das Messfluid 5 ein und befindet sich zwischen der mittig durch die Messküvette 3 hindurchgeführten Messfluidströmung 5 und der Innenwand der Messküvette 3. Das Sekundärfluid 6 ist als Reinfluid ausgeführt, welches keine Verunreinigungen aufweist. Beide Fluide 5, 6 weisen vorteilhafterweise die gleiche Flüssigkeit auf. Das Sekundärfluid 6 als umgreifende Mantelströmung vorzusehen hat den Vorteil, dass sich keine Verunreinigungen, wie Partikel oder Fasern, an der Innenwand der Messküvette 3 absetzen können. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass ein Geschwindigkeitsgradient mit geringeren Strömungsgeschwindigkeiten unmittelbar an der Innenwand der Messküvette und höheren Strömungsgeschwindigkeiten im radial weiter entfernten Bereich nur im Sekundärfluid 6 vorliegt, wohingegen im Messfluid 5 ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil über den Querschnitt des Messfluids vorliegt. Beispielhaft ist ein solches Geschwindigkeitsprofil in 4 gezeigt. Dementsprechend besitzt das Messfluid 5 über seinen gesamten Querschnitt – orthogonal zur Längsachse der Messküvette 3 gesehen – ein zumindest annähernd gleichmäßiges und konstantes Geschwindigkeitsprofil, so dass auch die im Messfluid mitgeführten Partikel die gleiche Geschwindigkeit aufweisen, was ein besseres Messergebnis gewährleistet. Die Geschwindigkeiten im unmittelbar aneinandergrenzenden Bereich sind im Messfluid und im Sekundärfluid gleich groß
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Das Zuführrohr 2, welches der Messküvette 3 vorgelagert ist und über die der Messküvette 3 sowohl das Messfluid 5 als auch das Sekundärfluid 6 zugeführt werden, weist ein Innenrohr 7 und ein Außenrohr 8 auf, die jeweils einen zylindrischen Querschnitt aufweisen und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Durch das Innenrohr 7 wird das Messfluid 5 geleitet, das axial über die Stirnseite in das Zuführrohr 2 eingeführt wird. Durch den Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr 8 wird das Sekundärfluid 6 geleitet, das seitlich über einen radialen Einströmstutzen 9 zugeführt wird, welcher mit dem Ringraum strömungsverbunden ist.
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Der Übergang zwischen dem Zuführrohr 2 und der Messküvette 3 erfolgt über einen Übergangskonus 10, dessen Konuswinkel α – bezogen auf die Längsachse von Zuführrohr 2 – in einem Winkelbereich vorzugsweise bis maximal 65° liegt. Das Innenrohr 7 im Zuführrohr 2 endet axial vor dem Übergangskonus 10. Der Übergangskonus 10 bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit sowohl des Messfluids 5 als auch des Sekundärfluids 6.
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Das Querschnittsflächenverhältnis von Innenrohr 7 zum Ringraum zwischen Innenrohr 7 und Außenrohr 8 beträgt vorzugsweise mindestens 1.5. Das Querschnittsflächenverhältnis von Innenrohr 7 zur Messküvette 3 beträgt vorzugsweise mindestens 2.
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Wie den 2 und 3 zu entnehmen, kann das Innenrohr 7 im Zuführrohr 2 mit einer Leitung 11 verbunden werden, über die das Messfluid zugeführt wird. Innenrohr 7 und Leitung 11 können gegebenenfalls einteilig ausgeführt sein.
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2 ist außerdem zu entnehmen, dass die Messküvette 3 einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wohingegen das Zuführrohr 2 einen runden Querschnitt besitzt. Die Querschnittsfläche des Zuführrohrs 2 ist größer als die Querschnittsfläche der Messküvette 3. Der Übergang von runder Querschnittsfläche des Zuführrohrs 2 zu rechteckiger Querschnittsfläche der Messküvette 3 erfolgt über den Übergangskonus 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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