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Die Erfindung betrifft eine Sensorkappe für einen optochemischen Sensor zur Bestimmung oder Überwachung zumindest eines in einem Medium befindlichen Analyten, sowie einen mit der erfindungsgemäßen Sensorkappe ausgestatteten elektrochemischen Sensor.
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Ein optochemischer Analyten-Sensor, z. B. ein Sauerstoffsensor, beruht auf dem Prinzip der Analyt-induzierten Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Löschung eines organischen Farbstoffs, welcher üblicherweise in eine Polymer-Matrix eingebracht ist. Insbesondere wird das für einen vorgegebenen Analyten abgestimmte Polymer/Farbstoff-Gemisch als fester Film auf ein Substrat, z. B. auf ein Glasplättchen oder eine optische Faser aufgebracht.
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Aus der
WO 2005/100 957 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines in einem fluiden Prozessmedium enthaltenen Analyten bekannt geworden. Die bekannte Vorrichtung weist einen Sensor mit einer Messmembran auf, die eine poröse Trägerstruktur besitzt. In die Trägerstruktur ist eine mit dem Prozessmedium in Kontakt kommende lumineszierende Substanz eingebettet. Weiterhin sind eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit vorgesehen, wobei die Sendeeinheit Messstrahlung aussendet und die lumineszierende Substanz zum Aussenden von Lumineszenzstrahlung anregt, und wobei die Empfangseinheit die entsprechend erzeugte Lumineszenzstrahlung detektiert. Eine Regel-/Auswerteeinheit ermittelt anhand der Löschung (Quenching) der Lumineszenzstrahlung der lumineszierenden Substanz die Konzentration bzw. den Partialdruck/Druck des Analyten in dem Prozessmedium. Lumineszenz ist übrigens der Oberbegriff für die Erzeugung von optischer Strahlung in einer Substanz, die beim Übergang von einem angeregten Zustand in den Grundzustand entsteht.
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Ein Sauerstoffsensor, der von der Anmelderin angeboten und vertrieben wird, in 1 der nachfolgenden Figurenbeschreibung gezeigt. Infolge der spaltfreien Abdichtung zwischen Sensorgehäuse und Sensormembran erfüllt dieser Sensor die hohen hygienischen Anforderungen, die an Sensoren gestellt werden, wenn sie z. B. in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Befindet sich der bekannte Sauerstoffsensor jedoch in einer Rohrleitung, die von einem den Analyten enthaltenden Medium durchströmt wird, kann es zu einer Blasenbildung auf der dem Medium zugewandten Oberfläche der Membran kommen. Es versteht sich von selbst, dass infolge der Blasenbildung an der Oberfläche der Membran die Messwerte für Sauerstoff als in dem strömenden Medium zu bestimmenden Analyten erheblich verfälscht werden.
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Aus der
DE 10 2011 088 012 A1 ist eine Sensorkappe bekannt geworden, die eine in Richtung des Mediums konvexe Ausformung hat. Das sensorisch wirksame Element ist an einer konvex geformten, dem Medium zugewandten Oberfläche befestigt. Weder der Vorteil dieser konvexen Ausformung noch die Erfüllung von hygienischen Anforderungen ist in dieser Offenlegungsschrift thematisiert.
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AT 391 030 B beschreibt eine Vorrichtung zur Messung chemischer und physikalischer Parameter eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit zumindest einem mit dem Medium in Kontakt stehenden optischen Sensorelement (Optode). Jede der einzelnen Optoden weist ein optisch durchlässiges Trägerelement und eine das optisch durchlässige Trägerelement umfassende Hülse auf. Ein in eine Halterung der Vorrichtung einsetzbarer Meßkammerteil ist mit einem Probenkanal vorgesehen, der eine strömungsgünstige Form aufweist. Der Probenkanal ist im Meßkammerteil als kapillarförmiger Spalt ausgebildet, welcher eine Indikatorschicht jeder einzelnen Optode vollständig abdeckt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strömungsoptimierte Sensorkappe und einen entsprechenden Sensor für den Einsatz in hygienischen Applikationen vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch eine Sensorkappe für einen optochemischen Sensor zur Bestimmung oder Überwachung zumindest eines in einem Medium befindlichen Analyten, mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Einschubkomponente und einer hülsenförmigen Außenkomponente. Die Einschubkomponente weist in dem dem Medium zugewandten Endbereich eine optische Komponente mit einem strömungsoptimiert geformten Oberflächenbereich auf. Bevorzugt ist der Oberflächenbereich konvex geformt. Im Bereich des strömungsoptimiert, bevorzugt konvex, geformten Oberflächenbereichs besteht die optische Komponente zumindest teilweise aus einem für Messstrahlung transparenten Material. Auf dem konvex geformten Oberflächenbereich der optischen Komponente ist eine Matrix vorgesehen, die zumindest eine Analyt-sensitive Funktionsschicht mit einer für den Analyten sensitiven Substanz aufweist. Die Einschubkomponente und die hülsenförmige Komponente sind derart ausgestaltet, dass der mit dem Medium in Kontakt kommende Verbindungsbereich zwischen der Einschubkomponente und der hülsenförmigen Außenkomponente im Randbereich des strömungsoptimiert, insbesondere konvex, geformten Oberflächenbereichs der optischen Komponente oder radial beabstandet von dem Randbereich des konvex geformten Oberflächenbereichs der optischen Komponente liegt und spaltfrei zum Medium hin abgedichtet ist, wobei an der Einschubkomponente im Randbereich des Oberflächenbereichs eine ringförmige Ausnehmung, in dem ein Dichtring aufgenommen ist, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichet, dass Ausnehmung und Dichtring so positioniert und ausgestaltet sind, dass der mit dem Medium in Kontakt kommende Verbindungsbereich zwischen der Einschubkomponente und der hülsenförmigen Komponente spaltfrei gegen das Medium abgedichtet ist.
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Bei den zu bestimmenden oder zu überwachenden Analyten handelt es sich um beliebige Ionen oder Gase, z. B. Sauerstoff, Chlor, usw., die sich in dem Medium befinden. Die Matrix mit der Analyt-sensitiven Funktionsschicht besteht bevorzugt aus mehreren Funktionsschichten. Bei mehreren Ausgestaltungen der Erfindung kann die Matrix oder aber zumindest eine der Funktionsschichten der Matrix in oder auf einer Trägerfolie aus Kunststoff oder einem Metallgeflecht angeordnet sein. Diese Kombination von Matrix mit zumindest einer Funktionsschicht und Trägermedium wird bei der vorliegenden Erfindung als Membran bezeichnet. Die Erfindung nicht einschränkende Beispiele werden nachfolgend noch beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Sensorkappe weist u. a. die folgenden Vorteile auf:
- – Aufgrund des strömungsoptimierten Oberflächenbereichs wird die Blasenanhaftung an der Analyt-sensitiven Matrix bzw. Membran vermieden.
- – Die Konstruktion der Sensorkappe erfüllt hohe Hygieneanforderungen, die insbesondere in der Lebensmittelindustrie sehr wichtig sind.
- – Das Design der Sensorkappe ist belastungsresistent.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensorkappe handelt es sich – wie bereits zuvor erwähnt – bei der sensitiven Matrix um ein Mehrschichtsystem, das aus zumindest zwei Funktionsschichten besteht, wobei eine der Funktionsschichten die Analyt-sensitive Substanz enthält oder aus ihr besteht. Bekannte Sensoren weisen oftmals drei Funktionsschichten auf: z. B. eine erste Funktionsschicht, die selektiv für den Analyten durchlässig ist, eine zweite Funktionsschicht für die chemische und/oder mechanische Stabilität und eine dritte Funktionsschicht, die die Analyt-sensitive und die damit sensorspezifische Substanz enthält. Diese dritte Funktionsschicht sendet bei entsprechender Anregung durch eine Lichtquelle ein Lumineszenz- bzw. ein Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzsignal bei einer bestimmten Wellenlänge und/oder einem Analyten-spezifischen Phasenwinkel aus, oder sie absorbiert bestimmte Wellenlängen des eingestrahlten Lichts. Die entsprechende Änderung der Messstrahlung wird detektiert und ist ein Maß für die Konzentration des Analyten in dem Medium.
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Bei der Membran muss es sich um eine für den Analyten diffusionsfähige Membran handeln. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Membran eine transparente aufweist Diese sperrt den Analyten. Zwei entsprechende Ausgestaltungen von Membranen sind in den Figuren 4 und 6 gezeigt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensorkappe sieht vor, dass die Analyt-sensitive Matrix auf oder in einer für den Analyten diffusionsdurchlässigen Membran angeordnet ist, die mit dem konvex geformten Oberflächenbereich verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Oberflächenbereich und der Membran bzw. Matrix ist entweder lösbar oder unlösbar ausgestaltet Besteht die Membran aus mehreren Funktionsschichten, so muss die Verbindung zwischen den einzelnen Funktionsschichten so ausgestaltet sein, dass sie auch bei hohen Temperaturen und Drücken chemisch und physikalisch inert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensorkappe ist die Einschubkomponente einstückig ausgestaltet. Die Analyt-sensitive Matrix und/oder die Membran sind/ist flexibel ausgestaltet und dienen/dient zusätzlich als Dichtmittel für die spaltfreie Abdichtung zwischen der Einschubkomponente und der hülsenförmiger Außenkomponente.
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In einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe ist die Einschubkomponente ebenfalls einstückig ausgestaltet.
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Bei einer vorteilhaften zweiten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe besteht die Einschubkomponente im axialen Überlappungsbereich mit der hülsenförmigen Außenkomponente aus zwei Komponenten: einem Außenring mit einer gestuften Innenkontur und einem Innenring mit eher zur Innenkontur korrespondierenden Außenkontur. Die optische Komponente ist im Randbereich des konvex geformten Oberflächenbereichs mit dem Innenring verbunden.
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Insbesondere bei der zuvor beschriebenen zweiten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe ist die Membran mit der sensitiven Matrix größer dimensioniert ist als der konvex geformte Oberflächenbereich der optischen Komponente. Der über den konvex geformten Oberflächenbereich überstehende Randbereich der Membran ist zwischen dem Innenring und dem Außenring der Einschubkomponente fixiert. Die Fixierung erfolgt bevorzugt über eine Verpressung von Außenring und Innenring.
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Gemäß einer Abänderung der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe ist der Innenring mit der Außenkontur integraler Teil der Einschubkomponente.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensorkappe und insbesondere der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe sieht in einem dem Medium zugewandten Randbereich des Außenrings eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines Dichtrings vor. Die Ausnehmung und der Dichtring sind so positioniert und ausgestaltet, dass der mit dem Medium in Kontakt kommende Verbindungsbereich zwischen dem Außenring der Einschubkomponente und der hülsenförmige Außenkomponente spaltfrei gegen das Medium abgedichtet ist.
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Darüber hinaus wird im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Sensorkappe vorgeschlagen, dass die Innenkante des Außenrings, die in Richtung des konvex geformten Oberflächenbereichs weist, so ausgestaltet ist, dass sie mit der flexiblen sensitiven Matrix oder der als flexible Membran ausgebildeten sensitiven Matrix einen spaltfreien ringförmigen Kontaktbereich bildet. Somit übernimmt die Membran bzw. die Matrix zusätzlich die Abdichtung des Innenraums der Sensorkappe zum Prozess. Da diese Abdichtung spaltfrei ist, genügt sie den hohen hygienischen Anforderungen, die in einigen Bereichen der Automatisierungstechnik an die Sensoren gestellt werden.
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An vorhergehender Stelle wurde bereits gesagt, dass die Verbindung der einzelnen Komponenten der Sensorkappe über ein Verpressen erfolgt. Alternativ ist vorgesehen, dass die Innenkontur des Außenrings und die Außenkontur des Innenrings korrespondierende Schraubgewinde aufweisen und miteinander verschraubt werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass Außenring und Innenring mit einem definierten Drehmoment miteinander verbunden werden können.
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Um die Position von Einschubkomponente und hülsenförmiger Außenkomponente in axialer Richtung definiert zu begrenzen, sind an der Innenfläche der hülsenförmigen Außenkomponente und der Außenfläche der Einschubkomponente korrespondierende, bevorzugt ringförmige, Anschlagkanten vorgesehen.
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Die Aufgabe wird weiterhin durch einen optochemischen Sensor zur Bestimmung oder Überwachung zumindest eines in einem Medium befindlichen Analyten gelöst. Dieser umfasst eine erfindungsgemäße Sensorkappe, wie sie in unterschiedlichen Ausgestaltungen zuvor beschrieben wurde, eine Elektronikkomponente mit einer Lichtquelle, eine Detektionseinheit und eine Regel-/Auswerteeinheit.
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Bevorzugt ist die optische Komponente so ausgestaltet, dass sie zumindest eine definierte Wellenlänge des Lichts passieren lässt, während Wellenlängen außerhalb der definierten Wellenlänge herausgefiltert werden. Hierzu ist insbesondere eine der Funktionsschichten der Membran oder der Matrix als Schicht mit einer Filterfunktion ausgeführt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des optochemischen Sensors schlägt vor, dass die Lichtquelle und die Detektoreinheit unmittelbar an dem vom Medium abgewandten Bereich der optischen Komponente angeordnet sind. Die Messstrahlung bzw. das Licht wird also von der Lichtquelle direkt auf die optische Komponente eingestrahlt bzw. die Detektoreinheit empfängt das Licht direkt von der optischen Komponente. Direkt bedeutet in diesem Zusammenhang: ohne Zwischenschalten eines Lichtwellenleiters.
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Eine alternative Ausgestaltung des optochemischen Sensors sieht zumindest einen Lichtwellenleiter vor, über den das Licht von der Lichtquelle zu dem vom Medium abgewandten Bereich der optischen Komponente und von dem vom Medium abgewandten Bereich der optischen Komponente zur Detektoreinheit geführt wird.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors mit Sensorkappe sieht vor, dass der Lichtwellenleiter als formstabile stabförmige Komponente ausgestaltet ist, an deren dem Medium zugewandtem Endbereich die optische Komponenten angeformt ist. Lichtwellenleiter und optische Komponente bilden somit eine integrale Einheit.
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Vorzugsweise besteht die optische Komponente aus einem Feststoff, z. B. Glas. Bei einigen der in dieser Anmeldung beschriebenen Ausgestaltungen kann die optische Komponente jedoch auch aus zumindest einem elastischen Material gefertigt sein. Weiterhin kann die optische Komponente aus einem festen Material und einen elastischen Material aufgebaut sein. Je nach Ausgestaltung des Sensors besteht beispielsweise der Randbereich der optischen Komponente, der mit der hülsenförmigen Komponente in Kontakt ist, aus einem elastischen Material, während der Rest aus einem Feststoff gefertigt ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Sensorkappe,
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1a: eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 1,
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2: einen Längsschnitt durch eine erste Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe,
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2a: eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 2,
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3: einen Längsschnitt durch eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe,
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3a: eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 3,
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4: einen Querschnitt durch eine erste Variante einer Analyten-sensitiven Membran, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Sensorkappe zum Einsatz kommt,
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5: einen Querschnitt durch eine zweite Variante einer Analyten-sensitiven Membran, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Sensorkappe zum Einsatz kommt,
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6: einen Längsschnitt durch eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe,
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6a: eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 6,
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7: einen Längsschnitt durch eine vierte Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe und
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7a: eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 7.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte optochemische Sensorkappe 2. In 1a ist eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 1 zu sehen. Die Sensorkappe 2 besteht aus einem zylinderförmigen Gehäuse, oft auch als Spotgehäuse bezeichnet, das aus einer hülsenförmigen Außenkomponente 6 und einer Einschubkomponente 5 besteht. Die Komponenten 5, 6, 7 sind im Bereich des Sensorschafts über eine Verschraubung 35 miteinander verbunden.
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Der dem Medium 3 zugewandte Endbereich des zylinderförmigen Gehäuses ist durch eine Matrix 11 zur Bestimmung des Analyten 4 verschlossen. Bei dem zu bestimmenden oder zu überwachenden Analyten 4 handelt es sich um beliebige Ionen oder Gase, die sich in dem Medium 3 befinden. Die Analyt-sensitive Matrix 11 besteht bevorzugt aus mehreren Funktionsschichten. Eine der Funktionsschichten 12 enthält die Analyt-sensitive Substanz.
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Als optische Komponente 7 bzw. als optisches Bauteil wird bei der bekannten Lösung eines rundes, planares, transparentes Glassubstrat verwendet, auf dessen dem Medium 3 zugewandten Oberfläche die Analyt-sensitive Matrix 11 aufgebracht ist. Der dem Medium 3 zugewandte Endbereich der hülsenförmigen Außenkomponente 6 weist eine ringförmige Ausformung 38 auf, in die ein O-Ring 16 als Abdichtung eingelegt ist. Über den O-Ring 16 wird die hülsenförmige Außenkomponente 6 im Verbindungsbereich 10 axial und spaltfrei gegen die Analyt-sensitive Matrix 11 bzw. Membran abgedichtet.
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Der bekannte Aufbau erfüllt alle geforderten sensitiven, hygienischen und belastungsspezifischen Anforderungen, die an einen optochemischen Sensor 1 bzw. eine optochemische Sensorkappe 2 gestellt werden. Bei gewissen Anwendungen ist die nach innen abgesetzte Verbindung im Randbereich der Membran 11 jedoch nachteilig. Ist der bekannte Sensor 1 im Wesentlichen vertikal in einen Behälter oder eine Rohrleitung eingebaut, so besteht die Gefahr, dass sich auf der Analyt-sensitiven Membran 11 Gasblasen ansammeln, was üblicherweise zu Messfehlern bei der Bestimmung des Analyten 4 führt. Besonders problematisch ist dieser Effekt natürlich bei einem Sauerstoffsensor 1.
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Darüber hinaus sind auch Sensoren 1 mit einer leicht konvexen Verformung der sensitiven Komponente, welche auch als Spot bezeichnet wird, bekannt geworden. Die Dichtung erfolgt hier zum einen durch Verkleben des beschichteten Glassubstrates 7 mit der Außenkomponente 6 (auch bezeichnet als Spothülse), zum anderen durch unmittelbares Verpressen der sensitiven Matrix 11 oder Membran mit der Spothülse 6. Die beiden bekannten Dichtungsvarianten erfüllen weder die hohen hygienischen Anforderungen, noch verhindern sie die Blasenanhaftung an der Analyt-sensitiven Membran 11 so effektiv wie die vorliegende erfindungsgemäße Lösung.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2. In 2a ist eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 2 zu sehen. Bei dieser Variante ist die optische Komponente 7 gleichzeitig als Einschubkomponente 5 ausgestaltet. Fertigungstechnisch ist diese Lösung besonders günstig, da Einschubkomponente 5 und optische Komponente 7 eine integrale Einheit bilden. Die optische Komponente 5 ist bevorzugt aus einem transparenten Kunststoff gefertigt oder alternativ aus Quarzglas. Um die optischen Anforderungen zu erfüllen, genügt es übrigens, wenn zumindest ein Teilbereich des konvex geformten bzw. des strömungsoptimiert geformten Oberflächenbereichs 8 der optischen Komponente 7 aus einem Material besteht, das für die die Messstrahlung der in 1 nicht gesondert dargestellten Lichtquelle transparent ist.
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Unmittelbar auf dem dem Medium 3 zugewandten Oberflächenbereich 8 ist die Analyt-sensitive Matrix 11 aufgebracht. Diese besteht bevorzugt aus einem Mehrschichtsystem mit verschiedenen Funktionsschichten 12, 13, 14. Zwei Beispiele eines Mehrschichtsystems werden in den Figuren 4 und 5 näher beschrieben.
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Das Mehrschichtsystem wird übrigens bei allen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 bevorzugt über ein Spraycoating-Verfahren oder über sonstige bekannte Applizierverfahren aufgebracht. Entweder werden die Funktionsschichten, 12, 13, 14 der Matrix 11 unmittelbar auf den Oberflächenbereich 8 aufgebracht, oder sie werden auf eine Trägerfolie 41 oder ein Geflecht 42 appliziert, wobei die so gebildete Membran 43 anschließend mit dem Oberflächenbereich 8 in Kontakt gebracht wird. Die Matrix 11 oder die Membran 43 deckt zumindest einen Teilbereich des strömungsoptimiert geformten Oberflächenbereichs 8 ab. Um eine physikalisch-chemisch feste Verbindung zwischen der Matrix 11 bzw. der Membran 43 und dem Oberflächenbereich 8 sicherzustellen, ist das Material der optischen Komponente 7 zumindest in dem Oberflächenbereich 8 stark adhäsiv, bzw. es ist über ein entsprechendes Oberflächen-Aktivierungsverfahren adhäsiv aktivierbar. Auch dies gilt wiederum für alle in dieser Anmeldung beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2.
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Die Einschubkomponente 5 entspricht im gezeigten Fall der optischen Komponente 7. Die Einschubkomponente 5 und die hülsenförmige Komponente 6 sind derart ausgestaltet, dass der mit dem Medium 3 in Kontakt kommende Verbindungsbereich 10 zwischen der Einschubkomponente 5; 7 und der hülsenförmigen Außenkomponente 6 im Randbereich 9 des konvex geformten Oberflächenbereichs 8 der optischen Komponente 7 liegt und spaltfrei zum Medium 5 hin abgedichtet ist. Hierzu weist die Einschubkomponente 5 bzw. die optische Komponente 7 im Randbereich 9 des bevorzugt konvex geformten Oberflächenbereichs 8 eine ringförmige Ausnehmung 15 zur Aufnahme eines Dichtrings 16, insbesondere eines O-Rings, auf. Es versteht sich von selbst, dass auch anderweitige Dichtungen, z. B. Formdichtungen, zum Einsatz kommen können. Die O-Ringnut 15 ist also unmittelbar in die optische Komponente eingebracht. Der Dichtring 16 dichtet den Verbindungsbereich 10 radial und spaltfrei ab. Spaltfrei bedeutet im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung, dass im mit dem Medium in Kontakt kommenden Verbindungsbereich 10 zwischen zwei Einzelkomponenten keine Hohlräume auftreten, in denen sich Partikel des Mediums so anlagern können, dass sie mittels der in der Automatisierungstechnik üblichen Reinigungsprozesse nicht beseitigt werden können.
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Zwecks definierter axialer Positionierung der Einschubkomponente 5 bzw. der optischen Komponente 7 in der hülsenförmigen Außenkomponente 6 sind im Überlappungsbereich von Einschubkomponente 5 und hülsenförmiger Außenkomponente 6 im Bereich des Sensorschafts korrespondierende Anschlagkanten 28, 29 vorgesehen. Bevorzugt werden die beiden Komponenten 5, 6 über einen Presssitz miteinander verbunden.
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Bei der gezeigten Ausgestaltung wird eine mechanische Belastung der sensitiven Matrix 11 verhindert, da kein Kontakt zwischen dem Dichtring 16 und der Analyt-sensitiven Matrix 11 bzw. Membran besteht. Die optische Komponente 7 ist an einen oder mehrere Lichtwellenleiter 34 angekoppelt. Alternativ könnten Lichtquelle 31 und Detektoreinheit 32 auch direkt – also ohne das Zwischenschalten von zumindest einem Lichtwellenleiter 34 – mit der optischen Komponente 7 wechselwirken. Durch geeignete Wahl des Materials und durch ein geeignetes Design kann die optische Komponente 7 auch Zusatzfunktionen übernehmen. So kann die optische Komponente 7 als ein ein- oder zweiseitiges Filterelement für diverse Lichtspektren, als ein prismatisches Element zur Strahlenlenkung und/oder Strahlenteilung oder als ein einseitig-, zweiseitig-, voll- oder halb-spiegelndes Element ausgestaltet sein. Auch diese Möglichkeit gilt für alle in der Anmeldung beschriebenen erfindungsgemäßen Lösungen.
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Ein geeignetes Material für die optische Komponente 7 ist beispielsweise für einen ausgewählten Wellenlängenbereich transparent. Es ist thermisch formstabil, gasdicht, nicht oder nur sehr geringfügig quellend (wasseraufnehmend) und/oder chemisch beständig. Alle diese Eigenschaften weist z. B. Quarzglas auf; es gibt aber auch geeignete Kunststoffe, die die zuvor genannten Eigenschaften in Summe erfüllen.
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Um ein axiales Verschieben der Einschubkomponente 5 bzw. der optischen Komponente z. B. aufgrund von Druckbelastung vom Medium her zu vermeiden, wird die Einschubkomponente 5 durch ein im Bereich des Sensorschafts befindliches fixes Bauteil arretiert. Bei diesem fest montierbaren Bauteil handelt es sich im gezeigten Fall um die Hülse eines Lichtwellenleiters 34.
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Eine bevorzugte nicht gesondert dargestellte Ausgestaltung der in 2 beschriebenen Variante sieht vor, dass die optische Komponente 7 zumindest im Randbereich 9 des Oberflächenbereichs 8 elastisch ausgestaltet ist. In diesem Fall kann der Dichtring 16 entfallen. Die spaltfreie Abdichtung lässt sich durch die Klemmverbindung zwischen dem geeignet ausgestalteten Randbereich der hülsenförmigen Außenkomponente 6 mit dem elastisch ausgestalteten Randbereich 9 des Oberflächenbereichs 8 der optischen Komponente 7 erreichen.
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Der Hauptvorteil der ersten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 besteht darin, dass als Einschubkomponente 5 nur ein einziges Bauteil verwendet, das durch entsprechende Ausgestaltung eine Vielzahl unterschiedlicher mechanischer und optischer Funktionen übernimmt. Diese Funktionen sind insbesondere:
- – Trägerelement für die Analyt-sensitive Matrix,
- – Vermeidung von Blasenbildung an der Matrix 11 durch die konvexe bzw. strömungsoptimierte Formgebung der optischen Komponente 7,
- – Ausgestaltung der optischen Komponente 7 als mechanisches Befestigungselement für die Befestigung der Einschubkomponente 5; 7 in der hülsenförmigen Außenkomponente 6,
- – optisches Anbindungselement zwischen Lichtwellenleiter 34 und sensitiver Matrix 11,
- – Träger des Dichtrings 16 für die spaltfreie Abdichtung.
- – Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Komponente 7 wurden bereits in Verbindung mit der ersten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 beschrieben.
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Weitere Vorteile sind:
- – Es ist nur ein – gegebenenfalls austauschbarer – Dichtring 16 vorhanden, der mit dem Medium 3 in Kontakt kommt.
- – Es handelt sich um eine Verbindung, die den hohen hygienischen Anforderungen für z. B. den Einsatz in der Lebensmittelindustrie oder der Pharmaindustrie erfüllt.
- – Die Analyt-sensitive Matrix 11 hat eine strömungsoptimierte, insbesondere konvexe oder planare, Formung.
- – Die Analyt-sensitive Matrix 11 wird mechanisch nicht belastet.
- – Die Spothülse bzw. die hülsenförmige Außenkomponente ist wiederverwendbar.
- – Die Montage bzw. der Spotaustausch ist einfach zu bewerkstelligen.
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Ein Großteil der zuvor genannten Vorteile trifft auch auf die nachfolgend beschriebenen Lösungen zu. Welche diese sind, erschließt sich in jedem Einzelfall einer fachlich qualifizierten Person auf einfache Art und Weise.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2. 3a zeigt eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 3. Während bei den zuvor genannten Ausführungsformen die optische Komponente 7 gleichzeitig als Einschubkomponente 5 ausgestaltet war, ist bei der in 3 gezeigten Ausgestaltung eine Aufsplittung dieser beiden Funktionen vorgenommen worden.
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Die mechanische Befestigung der Einschubkomponente 5 in der hülsenförmigen Außenkomponente 6 wird über einen Außenring 18 und einen Innenring 20 realisiert, wobei die Außenkomponente 6 eine Innenkontur 19 aufweist, die mit der Außenkontur 21 des Innenrings 20 korrespondiert. Die optische Komponente 7 ist mit der Einschubkomponente 5 über korrespondierende Anschlagkanten verbunden. Hierbei handelt es sich einmal um die Anschlagkanten 36, 37 an der optischen Komponente 7 und an dem Innenring 20. Axial in die vom Medium 3 abgewandte Richtung erfolgt die Fixierung im gezeigten Fall wiederum über die Hülse des Lichtwellenleiters 34. Einer fachlich qualifizierten Person sind weitere Befestigungsmöglichkeiten geläufig.
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Der dem Medium 3 zugewandte Endbereich des Innenrings 20, der an den konvex geformten Oberflächenbereich 8 der optischen Komponente 7 anliegt, ist so geformt, dass ein glatter Übergang zwischen den beiden Komponenten vorliegt. Die Krümmung des Oberflächenbereichs 8 setzt sich also in dem dem Medium 3 zugewandten Endbereich des Innenrings 20 fort.
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Die Analyt-sensitive Membran 11 ist bevorzugt so ausgestaltet, dass ihr Randbereich über den konvex geformten Oberflächenbereich 8 und den sich anschließenden dem Medium 3 zugewandten Endbereich des Innenrings 20 hinausreicht. Der überstehende Randbereich der Analyt-sensitiven Membran 11 ist zwischen dem Außenring 18 und dem Innenring 20 eingeklemmt, wenn die beiden Ringe 18, 20 miteinander verpresst werden. Selbstverständlich genügt es, wenn die einzelnen Funktionsschichten 12, 13, 14 nur im Bereich des strömungsoptimierten geformten Oberflächenbereichs 8 der optischen Komponente 7 aufgebracht sind.
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Der dem Medium 3 zugewandte Endbereich des Außenrings 18 ist an seiner Innenkante 25 so ausgeformt, dass er zusammen mit der flexibel ausgestalteten Membran 11 eine spaltfreie Verbindung 10 bildet. Der Verbindungsbereich 10 liegt bevorzugt außerhalb der Analyt-sensitiven Beschichtung der Membran 11. Eine mechanische Belastung der Membran 11 im Bereich der Analyt-sensitiven Beschichtung wird vermieden. Da die Membran 11 zwischen dem Außenring 18 und dem Innenring 20 bevorzugt irreversibel verpresst wird, erfüllt die Membran 11 gleichzeitig die Funktion einer hygienischen Dichtung.
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An dem dem Medium 3 zugewandten Endbereich besitzt der Außenring 18 im Bereich der Außenkante 24 eine ringförmige Ausnehmung 23 zur Aufnahme eines Dichtrings 16. Ringförmige Ausnehmung 15 und Dichtring 16 sind so angeordnet und ausgestaltet, dass zwischen der Einschubkomponente 5, hier insbesondere der Außenkante des Außenrings 18, und der hülsenförmigen Außenkomponente 6 die spaltfreie Verbindung 10 hergestellt wird. Bei dieser Ausgestaltung liegt die spaltfreie, hygienische Verbindung 10 zwischen der Einschubkomponente 5 und der hülsenförmigen Außenkomponente 6 somit radial beabstandet von dem Randbereich 9 des konvex geformten Oberflächenbereichs 8 der optischen Komponente 7.
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Die optische Anbindung des Lichtwellenleiters 34 an die sensitive Membran 11 bzw. Matrix erfolgt über die optische Komponente 7, die je nach Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 entweder als festes Formteil oder als elastisches Formteil ausgestaltet ist. Die optische Komponente 7 stellt zusammen mit der Analyt-sensitiven Membran 11 und der Einschubkomponente 5, die sich aus dem Innenring 20 und dem Außenring 18 zusammensetzt, einen festen Verbund dar, der bei Bedarf ausgetauscht werden kann.
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Wie bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der ersten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 erwähnt, kann die optische Komponente 7 bei entsprechender Ausgestaltung eine Vielzahl von Funktionen übernehmen. Neben dem Erfordernis einer hohen Lichtdurchlässigkeit im gewünschten Spektralbereich, kann die optische Komponente 7 auch formgebende Funktionen übernehmen. Über die Geometrie der optischen Komponente 7 wird insbesondere die wie auch immer geartete Form der Membran 11 vorgegeben. Weitere Möglichkeiten wurden bereits in Verbindung mit der ersten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 beschrieben und sind natürlich auch bei dieser und den nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung einsetzbar.
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Die Vorteile der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 sind insbesondere:
- – Der dem Medium 3 zugewandte Oberflächenbereich 8 der optischen Komponente 7 ist mittels der Analyt-sensitiven Matrix 11 vom Medium 3 abgetrennt. Allfällige Matrix-Nachbehandlungsverfahren, wie Reinigungsverfahren, belasten daher nur die Analyt-sensitive Matrix 11 oder Membran, nicht jedoch die optische Komponente 7.
- – Es ist nur ein – gegebenenfalls austauschbarer – Dichtring 16 vorhanden, der mit dem Medium 3 in Kontakt steht.
- – Es handelt sich um eine Verbindung zwischen Einschubkomponente 5 und Außenkomponente 6, die die hohen hygienischen Anforderungen für z. B. den Einsatz in der Lebensmittelindustrie oder der Pharmaindustrie erfüllt.
- – Die Analyt-sensitive Matrix 11 hat eine strömungsoptimierte, insbesondere konvexe oder planare, Formung.
- – Die Matrix ist im Analyt-sensitiven Oberflächenbereich 8 mechanisch unbelastet.
- – Die Spothülse bzw. die hülsenförmige Außenkomponente 6 ist wiederverwendbar.
- – Die Montage bzw. der Spotaustausch ist einfach zu bewerkstelligen.
- – Die optische Komponente 7 mit strömungsoptimierter Formgebung hat ein einfaches Design.
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Auch hier gilt wieder: Ein Großteil der zuvor genannten Vorteile trifft auch auf andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung zu. Welche diese sind, erschließt sich in jedem Einzelfall einer fachlich qualifizierten Person auf einfache Art und Weise.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Variante einer Analyten-sensitiven Membran 11, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 zum Einsatz kommt. Als Trägerelement dient eine für das Medium und den Analyten bevorzugt undurchlässige Folie 41, auf der die Schichtstruktur bildende Matrix 11, bestehend aus im gezeigten Fall drei Funktionsschichten 12, 13, 14, aufgebracht ist. Eine der Funktionsschichten 12, 13, 14 enthält die Analyt-sensitive Substanz. Diese sorgt für eine selektive Analytdurchlässigkeit und sendet bei entsprechender Anregung ein Lumineszenz- bzw. ein Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzsignal bei einer bestimmten Wellenlänge und/oder einem Analyt-spezifischen Phasenwinkel aus, oder sie absorbiert Licht. Eine weitere Funktionsschicht stellt sicher, dass die aus der Umgebung einfallende Störstrahlung zumindest teilweise absorbiert wird. Eine weitere Schicht stellt z. B. die physikalische und/oder chemische Stabilität sicher. Je nach Applikation kann die Zusammensetzung der Funktionsschichten variieren.
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5 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Variante einer Membran 43, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2 zum Einsatz kommt. Die Matrix 11 ist auf einem für den Analyten 4 durchlässigen Geflecht 42, z. B. einem Metallgeflecht, als Trägerelement aufgebracht. Diese Ausgestaltung der Membran 43 zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus, was insbesondere ihre Anbindung an die optische Komponente 7 vereinfacht. Bezüglich des Aufbaus der Schichtstruktur der Matrix 11 wird auf die beispielhafte Beschreibung von 4 verwiesen. Es versteht sich von selbst, dass der Schichtaufbau der Matrix 11 sehr flexibel ausgestaltet sein kann.
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6 zeigt einen Längsschnitt durch eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2, die bezüglich der in 3 gezeigten zweiten Variante lediglich eine konstruktive Änderung aufweist. In 6a ist eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 6 zu sehen. Bei dieser Variante ist der Innenring 20, der in 4 beschrieben ist und der ein Element der Einschubkomponente 5 bildet, integraler Bestandteil der optischen Komponente 7. Somit übernimmt die optische Komponente 7 sowohl optische, formgebende und konstruktiv dichtende Aufgaben.
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7 zeigt einen Längsschnitt durch eine vierte Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2. Wiederum ist in 7a eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 7 zu sehen. Die vierte Variante hat große Ähnlichkeit mit der in 3 gezeigten zweiten Variante der erfindungsgemäßen Sensorkappe 2, unterscheidet sich von dieser aber dadurch, dass die sensitive Membran 11 nicht zwischen dem Außenring 18 und dem Innenring 20 fixiert ist. Im gezeigten Fall ist der Innenring 20 als Pressring ausgestaltet ist. Der Pressring fixiert die optische Komponente 7 in axialer Richtung. Die Anpressung des Pressring 20 erfolgt über z. B. eine Verschraubung mit dem Außenring 18 oder über eine Verpressung.
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Bei dieser Variante ist die optische Komponente 7 wiederum sehr einfach ausgestaltet. Die spaltfreie Verbindung 10 zur optischen Komponente 7 wird wie bei der in 3 gezeigten Variante über die spezifische Ausformung der Innenkante 25 des Außenrings 18 erreicht. Entweder wird der entsprechende Randbereich 9 der elastisch ausgestalteten Matrix 11 als Abdichtung verwendet, oder aber die optische Komponente 7 ist zumindest in dem entsprechenden Kontaktbereich 26 flexibel ausgestaltet und übernimmt die Dichtfunktion.
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Der spaltfreien Verbindung 10 zwischen Außenring 18 und hülsenförmiger Außenkomponente 6 bzw. Spothülse dient der Dichtring 16, der in der ringförmigen Ausnehmung 23 an der Außenkante 24 des Außenrings 18 positioniert ist. Weitere Einzelheiten sind der Beschreibung zu 3 zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optochemischer Sensor
- 2
- optochemische Sensorkappe
- 3
- Medium
- 4
- Analyt, z. B. Sauerstoff
- 5
- Einschubkomponente
- 6
- hülsenförmige Außenkomponente
- 7
- optische Komponente
- 8
- Oberflächenbereich
- 9
- Randbereich
- 10
- spaltfreier Verbindungsbereich
- 11
- Matrix
- 12
- Analyt-sensitive Funktionsschicht mit sensorspezifischer Substanz
- 13
- Funktionsschicht
- 14
- Funktionsschicht
- 15
- ringförmige Ausnehmung
- 16
- Dichtring
- 17
- Verbindungsbereich
- 18
- Außenring
- 19
- Innenkontur
- 20
- Innenring
- 21
- Außenkontur
- 22
- Randbereich
- 23
- ringförmige Ausnehmung
- 24
- Außenkante des Außenrings
- 25
- Innenkante des Außenrings
- 26
- Kontaktbereich
- 27
- Schraubgewinde
- 28
- Anschlagkante
- 29
- Anschlagkante
- 30
- Elektronikkomponente
- 31
- Lichtquelle
- 32
- Detektionseinheit
- 33
- Regel-/Auswerteeinheit
- 34
- Lichtwellenleiter
- 35
- Verschraubung
- 36
- Anschlagkante
- 37
- Anschlagkante
- 38
- ringförmige Ausformung
- 41
- Trägerfolie oder sperrende Schicht
- 42
- Materialgeflecht oder durchlässige Schicht
- 43
- Membran
