DE102017122135B4

DE102017122135B4 - Vorrichtung zur Messung der Stoffkonzentration eines Mediums

Info

Publication number: DE102017122135B4
Application number: DE102017122135.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fritsch
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: DE102017122135A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Messung von Stoffkonzentrationen eines Mediums (2), mit einem Gehäuse (3), mit einem in dem Gehäuse (3) angeordneten Sender (4) zum Senden elektromagnetischer Strahlung und mit einem in dem Gehäuse (3) angeordneten Empfänger (5) zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung, mit einer Umlenkeinrichtung (6) zum Umlenken der elektromagnetischen Strahlung von dem Sender (4) zu dem Empfänger (5), wobei zwischen dem Gehäuse (3) und der Umlenkeinrichtung (6) ein Messspalt (8) einer Breite b zur Vermessung des Mediums (2) gebildet ist, und mit einer Verstelleinrichtung (9) zur Einstellung der Breite b des Messspaltes (8), wobei die Verstelleinrichtung (9) in dem Gehäuse (3) angeordnet ist und mit einem Stellglied (10) das Gehäuse (3) nach außen durchdringt, wobei das Stellglied (10) mit der Umlenkeinrichtung (6) verbunden ist, und mit einer Dichtung (12), wobei die Dichtung (12) zwischen dem Gehäuse (3) und dem Stellglied (10) angeordnet ist und zur Abdichtung des Gehäuses (3) an der Durchdringungsstelle (11) des Stellgliedes (10) dient, derart, dass der Gehäuseinnenraum (13) mediumdicht abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (12) als in Bewegungsrichtung des Stellgliedes (10) längenvariables Dichtelement (14) realisiert ist, wobei das längenvariable Dichtelement (14) das Stellglied (10) im Bereich des Messspaltes (8) zumindest teilweise seinem Umfang nach umschließt, wobei das längenvariable Dichtelement (14) mit seinem ersten Ende mit dem Gehäuse (3) verbunden ist und mit seinem zweiten Ende mit dem Stellglied (10) oder der Umlenkeinrichtung (6) verbunden ist, so dass eine mediumdichte Abdichtung des Gehäuses (3) an der Durchdringungsstelle (11) des Stellgliedes (10) realisiert ist, und wobei die Länge des längenvariablen Dichtelements (14) mit Verringerung der Breite b des Messspaltes (8) abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Stoffkonzentrationen eines Mediums, mit einem Gehäuse, mit einem Sender zum Senden elektromagnetischer Strahlung und mit einem Empfänger zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung, mit einer Messspaltbegrenzeinrichtung zum Begrenzen eines zwischen dem Gehäuse und der Messspaltbegrenzeinrichtung gebildeten Messspaltes, wobei der Messspalt eine Breite b aufweist und zur Vermessung des Mediums gebildet ist, und mit einer Verstelleinrichtung zur Einstellung der Breite b des Messspaltes, wobei die Verstelleinrichtung in dem Gehäuse angeordnet ist und mit einem Stellglied das Gehäuse an einer Durchdringungsstelle nach außen durchdringt, wobei das Stellglied mit der Messspaltbegrenzeinrichtung verbunden ist, und mit einer Dichtung, wobei die Dichtung zwischen dem Gehäuse und dem Stellglied angeordnet ist und zur Abdichtung des Gehäuses an der Durchdringungsstelle des Stellgliedes dient, derart, dass der Gehäuseinnenraum mediumdicht abgedichtet ist.
Eine in Rede stehende Vorrichtung zur Messung von Stoffkonzentrationen ist beispielsweise aus der DE 10 2006 004 916 B3 bekannt. Die Strahlung wird mit dem Sender ausgesendet und durchdringt das Medium in dem Messspalt. Da es je nach Anwendungsfall von Interesse ist, unterschiedliche Schichtdicken eines Stoffes zu vermessen, kann die Breite b des Messspaltes variiert werden, indem mit einer Verstelleinrichtung die Messspaltbegrenzeinrichtung relativ zum Gehäuse verfahren wird. Damit das Gehäuseinnere vor dem Medium geschützt ist, wird der Spalt zwischen dem Gehäuse und der Verstelleinrichtung mit einer Dichtung abgedichtet. Im Stand der Technik wird diese Dichtung mit einer Schiebedichtung realisiert.
Schiebedichtungen stehen durch die relative Bewegung der gegeneinander abzudichtenden Teile unter hoher mechanischer Belastung und erzielen eine gute Dichtwirkung. Es lässt sich nicht vermeiden, dass durch die mechanische Belastung Dichtmaterial durch Abrieb abgetragen wird. Je nach Belastung und Alter der Dichtung kann der Materialabrieb auch grobkörnig sein. Durch den Materialabrieb wird zwangsläufig das zu vermessende Medium verunreinigt.
Auf Grund der Verunreinigungen des zu vermessenden Mediums ist die Vorrichtung in ihrem Anwendungsbereich begrenzt. Insbesondere in der Lebensmittelindustrie ist ein Einsatz der Vorrichtung auf Grund des Materialabriebs der Dichtung aus lebensmittelhygienischen Gründen nicht denkbar.
Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Messung der Stoffkonzentration eines Mediums anzugeben, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile behoben werden, die insbesondere in einem weiteren Anwendungsbereich verwendet werden kann.
Die Aufgabe ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zunächst und im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Dichtung als in Bewegungsrichtung des Stellgliedes längenvariables Dichtelement realisiert ist, wobei das längenvariable Dichtelement das Stellglied im Bereich des Messspaltes zumindest teilweise seinem Umfang nach umschließt. Das längenvariable Dichtelement ist mit seinem ersten Ende mit dem Gehäuse verbunden und ist mit seinem zweiten Ende mit dem Stellglied oder der Messspaltbegrenzeinrichtung verbunden. Dadurch ergibt sich eine mediumdichte Abdichtung des Gehäuses an der Durchdringungsstelle des Stellgliedes. Das längenvariable Dichtelement zeichnet sich weiter dadurch aus, dass die Länge des längenvariablen Dichtelements mit Verringerung der Breite des Messspaltes abnimmt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können der Sender und der Empfänger in dem Gehäuse angeordnet sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung begrenzt. Vielmehr ist auch ein modularer Aufbau umfasst, bei dem Sender und Empfänger in einem separaten Gehäuse angeordnet sind, das in die Vorrichtung einsetzbar ist.
Wenn es heißt, dass das längenvariable Dichtelement das Stellglied im Bereich des Messspaltes zumindest teilweise seinem Umfang nach umschließt, dann bezieht sich das „teilweise“ auf den Bereich des Messspaltes. Es ist also nicht notwendig, aber gleichwohl möglich, dass das Dichtelement das Stellglied über die gesamte Breite des Messspalts umschließt. Demnach kann das Dichtelement mit seinem zweiten Ende, das dem der Messspaltbegrenzeinrichtung zugewandten Ende des Dichtelements entspricht, entweder mit der Messspaltbegrenzeinrichtung verbunden sein - dann umschließt das Dichtelement das Stellglied über die gesamte Breite des Messspalts -, oder das zweite Ende des Dichtelements kann mit dem Stellglied verbunden sein - dann umschließt das Dichtelement das Stellglied bis zu der Verbindungsstelle.
Wenn weiter von der Länge des längenvariablen Dichtelements die Rede ist, dann ist damit die effektive Erstreckung des Dichtelements in Bewegungsrichtung des Stellgliedes gemeint. Die effektive Erstreckung ergibt sich als der Abstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des längenvariablen Dichtelements. Die Bewegungsrichtung des Stellgliedes allgemein ist definiert als die Richtung, in die das Stellglied zum Einstellen der Breite des Messspaltes bewegt wird. Beispielsweise kann die Bewegungsrichtung entlang der Längsachse des Stellgliedes sein, wenn das Stellglied als Stift ausgebildet ist. Auf die Form des Stellgliedes kommt es für die vorliegende Erfindung jedoch nicht an. Wichtig ist nur, dass das Dichtelement längenvariabel in Bewegungsrichtung des Stellgliedes ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich weiter dadurch aus, dass die Länge des längenvariablen Dichtelements abnimmt, wenn die Breite b des Messspaltes verringert wird. Die Breite b des Messspaltes ist der Bereich zwischen dem Gehäuse und der Messspaltbegrenzeinrichtung, der im Fall einer Messung maximal mit Medium gefüllt sein kann und ergibt sich aus dem Abstand der der Messspaltbegrenzeinrichtung zugewandten Seite des Gehäuses zu der dem Gehäuse zugewandten Oberseite der Messspaltbegrenzeinrichtung plus der Höhe der Messspaltbegrenzeinrichtung, die mit Medium befüllbar ist.
Da das Dichtelement selbst längenvariabel ist und der Bewegung des Stellgliedes folgt, kommt es nicht zu einer Reibung zwischen dem Dichtelement und dem Stellglied und damit nicht zu Materialabtrag durch die Bewegung des Stellgliedes. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit für einen umfassenderen Anwendungsbereich tauglich, als die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen. Insbesondere ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der Lebensmittelindustrie möglich und problemlos, es kommt nicht zu einer unerwünschten und ggf. gesundheitsrisikobehafteten Kontaminierung des zu vermessenden Mediums mit Fremdstoffen, nämlich dem Dichtmaterial.
Die Messspaltbegrenzeinrichtung ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Umlenkeinrichtung ausgebildet und übernimmt damit neben der Funktion der Messspaltbegrenzung die weitere Funktion, die elektromagnetische Strahlung von dem Sender zu dem Empfänger umzulenken. Hierzu ist in der Umlenkeinrichtung mindestens ein Umlenkelement, bevorzugt mehrere Umlenkelemente, beispielsweise Spiegel, angeordnet.
Die Längenvariabilität des Dichtelements kann auf verschiedene Art und Weise umgesetzt werden. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen vor, dass das Dichtelement dehnbar und/oder stauchbar und/oder faltbar und/oder spannbar ausgebildet ist.
Ist das Dichtelement dehnbar ausgebildet, dann befindet es sich beispielsweise bei einer kleinen Breite b des Messspaltes oder bei geschlossener Vorrichtung in seinem Grundzustand und ist nicht gedehnt. Die Vorrichtung ist dann geschlossen, wenn das Stellglied minimal ausgelenkt ist und das Gehäuse und die Messspaltbegrenzeinrichtung einen Hohlraum bilden und abschlie-ßen, der Abstand a ist dann Null. Mit zunehmender Verbreiterung des Messspaltes erfährt das Dichtelement eine zunehmende Dehnung, wodurch die effektive Erstreckung des Dichtelements zunimmt, es also länger wird.
Ist das Dichtelement stauchbar ausgebildet, dann befindet sich das Dichtelement bei einer kleinen Breite b des Messspaltes oder bei geschlossener Vorrichtung im Zustand maximaler Stauchung. Mit zunehmender Verbreiterung des Messspaltes wird der Stauchungsgrad des Dichtungselements geringer, bis es schließlich bei einer bestimmten Breite b in seinen Grundzustand gelangt. Die Länge des Dichtelements im Grundzustand ist dabei abhängig von dem verwendeten Material und der Gestaltung des Dichtelements.
Ist das Dichtelement faltbar ausgebildet, befindet sich das Dichtelement in einem Zustand maximaler Faltung bei geringer Breite des Messspalts oder bei geschlossener Vorrichtung. Der Grad der Faltung wird schwächer mit zunehmender Breite b des Messspaltes. Ein Beispiel für ein faltbares Dichtelement ist ein Faltenbalg. Die Faltung erfolgt hier bevorzugt entlang vorgegebener Faltstellen.
Eine weitere Ausgestaltung des Dichtelements ist durch ein spannbares Dichtelement gegeben. Das Dichtelement wird dann mit zunehmender Breite b des Messspaltes zunehmend gespannt. Der Unterschied zu dem dehnbaren Dichtelement liegt darin, dass das Dichtmaterial selbst während des Spannens nicht gedehnt wird. Der Unterschied zu dem faltbaren Dichtelement liegt darin begründet, dass das spannbare Dichtelement nicht an vorbestimmten Faltstellen gefaltet ist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement in einem ersten Auslenkzustand den Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung frei gibt und in einem zweiten Auslenkzustand in den Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung hinein ragt. Im ersten Auslenkzustand weist das Dichtelement eine größere Länge als im zweiten Auslenkzustand auf, wohingegen die Ausdehnung d des Dichtelements im ersten Auslenkzustand geringer ist als im zweiten Auslenkzustand. Die Ausdehnung d des Dichtelements ist hierbei seine Erstreckung senkrecht zu seiner Länge. Das Dichtelement ist also insgesamt so ausgebildet, dass mit einer Verkürzung der Länge eine Vergrößerung der Ausdehnung einhergeht.
Durch diese besondere Ausbildung des längenvariablen Dichtelements ergibt sich in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass das längenvariable Dichtelement in seinem zweiten Auslenkzustand als Referenzmedium für eine Referenzmessung dient. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass das Dichtelement zwei Funktionen übernimmt. Zum einen dient es der Abdichtung der Durchdringungsstellen des Stellgliedes durch das Gehäuse, zum anderen dient es als Referenzmedium für die Messungen.
Durch die Ausgestaltung entfällt das aufwendige Einbringen eines Referenzmediums, um eine Referenzmessung durchführen zu können.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das längenvariable Dichtelement mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet. Das Dichtelement weist dabei ein Innenteil und wenigstens ein Außenteil auf, wobei das Innenteil und das Außenteil miteinander verbunden sind. Hier kommt es nicht auf die Art der Verbindung an, vielmehr ist die Art der Verbindung materialabhängig. Ebenfalls umfasst ist jedoch, dass das Innenteil und das Außenteil einstückig ausgebildet sind, also „aus einem Guss“. Die Mehrteiligkeit des Dichtelements bezieht sich hierbei im Wesentlichen auf die Funktionalität. Erfindungsgemäß ist nämlich vorgesehen, dass das Innenteil die tatsächliche Dichtwirkung ausübt, also die Durchdringungsstelle des Stellgliedes in dem Gehäuse abdichtet, wohingegen das wenigstens eine Außenteil im ersten Auslenkzustand den Strahlengang freigibt und im zweiten Auslenkzustand in den Strahlengang hinein ragt. Das Außenteil kann damit zur Referenzmessung dienen, wohingegen das Innenteil zur Abdichtung der Durchdringungsstelle dient. Da die Funktionalitäten des längenvariablen Dichtelements wie beschrieben aufgeteilt sind, können Innenteil und Außenteil aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Erfindungsgemäß können auch mehrere Außenteile vorhanden sein. Das längenvariable Dichtelement ist dann beispielsweise dreiteilig ausgebildet und weist neben dem einen Innenteil zwei Außenteile auf. Die Außenteile sind in einer bevorzugten Ausgestaltung als Lamellen ausgebildet, die jeweils mit dem oberen und dem unteren Ende am Innenteil befestigt sind, bevorzugt am oberen und am unteren Ende des Innenteils befestigt sind. Die Lamellen können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, so dass mehrere Referenzmedien verfügbar sind.
Die mehrteilige Ausgestaltung hat neben dem Vorteil der getrennten Funktionalitäten auch den Vorteil, dass eine unkomplizierte Herstellung des Dichtelements realisiert werden kann. Zudem kann das Dichtelement materialsparend realisiert werden. Das Innenteil, das die Dichtwirkung entfaltet, muss um den gesamten Umfang des Stellgliedes angeordnet sein. Das Außenteil, das keinerlei Dichtwirkung entfalten muss, kann demnach nur über einen Teil des Umfangs des Stellgliedes ausgebildet sein und muss nicht das gesamte Stellglied umfassen.
Um eine mediumdichte Abdichtung der Durchdringungsstelle des Stellgliedes durch das Gehäuse zu erlangen, müssen die Verbindungen des längenvariablen Dichtelements mit dem Gehäuse auf der einen Seite und mit dem Stellglied oder der Messspaltbegrenzeinrichtung auf der anderen Seite selbst mediumdicht realisiert sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Dichtelement mit einer Klemmeinrichtung an dem Gehäuse und/oder an dem Stellglied oder der Messspaltbegrenzeinrichtung befestigt ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Dichtelement zwar mediumdicht, jedoch lösbar mit dem Gehäuse und/oder dem Stellglied oder der Messspaltbegrenzeinrichtung verbunden ist. Dadurch ist ein leichter Austausch des Dichtelements möglich.
In einer anderen Ausgestaltung ist das Dichtelement durch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse und/oder dem Stellglied oder der Messspaltbegrenzeinrichtung verbunden. Eine derartige Verbindung ist beispielsweise durch eine Klebeverbindung realisiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf die genannten Verbindungsarten beschränkt, vielmehr kann jede weitere mediumdichte Verbindung zwischen Dichtelement und Gehäuse und/oder Stellglied oder Messspaltbegrenzeinrichtung realisiert sein. Des Weiteren ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, dass das Dichtelement an seinem oberen Ende und an seinem unteren Ende mit der gleichen Verbindungsart verbunden ist, vielmehr kann sich die Verbindungsart unterscheiden.
Das längenvariable Dichtelement selbst kann aus verschiedenen bevorzugten Materialien hergestellt sein. Eine Ausführungsform sieht vor, dass das längenvariable Dichtelement aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das längenvariable Dichtelement aus Fluorkautschuk (FKM, FPM, EPDM) oder aus Perflorkautschuk (FFKM, FFPM) gefertigt.
Ist das längenvariable Dichtelement mehrteilig ausgebildet, kann das Innenteil aus einem anderen Material als das Außenteil gefertigt sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Materialien derart gewählt werden können, dass sie den unterschiedlichen Funktionalitäten gerecht werden.
Des Weiteren lassen sich die bevorzugten Materialien zur Herstellung des Dichtelements bezüglich ihrer Durchlässigkeit für die elektromagnetische Strahlung unterscheiden. So sieht eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass das längenvariable Dichtelement aus einem für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässigen Material gefertigt ist. Bei dieser Ausgestaltung kann die elektromagnetische Stahlung durch das Dichtelement durchdringen, wenn dieses in seinem zweiten Auslenkzustand in den Strahlengang hinein ragt. Eine Referenzmessung kann dann in Transmission ausgeführt werden. Die Messspaltbegrenzeinrichtung ist dann bevorzugt als Umlenkeinrichtung ausgebildet und lenkt die Strahlung vom Sender zu dem Empfänger.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das längenvariable Dichtelement aus einem für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise reflektierenden Material gefertigt ist. Das Material kann dann auch so ausgewählt werden, dass es für die elektromagnetische Strahlung totalreflektierend ist. Eine Referenzmessung kann dann in Reflexion gemessen werden.
Ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass eine Referenzmessung in Reflexion gemessen wird, dann können der Sender zur Aussendung der elektromagnetischen Strahlung und der Empfänger zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung insbesondere in einem Bauteil realisiert sein. Die Messspaltbegrenzeinrichtung kann dann bevorzugt als Umlenkeinrichtung derart ausgestaltet sein, dass die ausgesandte Strahlung wieder zurück reflektiert wird.
Wie bereits ausgeführt, dient die Verstelleinrichtung der Einstellung der Breite b des Messspaltes. Das wird dadurch realisiert, dass die Messspaltbegrenzeinrichtung relativ zum Gehäuse bewegt wird, nämlich der Abstand a zwischen der der Messspaltbegrenzeinrichtung zugewandten Seite des Gehäuses und der dem Gehäuse zugewandten Seite der Messspaltbegrenzeinrichtung variiert wird. Ist der Abstand Null, dann weist das längenvariable Dichtelement einen Zustand minimaler Länge auf. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im Zustand minimaler Länge des Dichtelements ein Hohlraum zwischen Messspaltbegrenzeinrichtung und Gehäuse ausgebildet ist. Um den Hohlraum mediumdicht abzuschließen, ist in einer Ausgestaltung eine Außendichtung zwischen dem Gehäuse und der Messspaltbegrenzeinrichtung angeordnet. Die Fläche zwischen Gehäuse und Messspaltbegrenzeinrichtung, an der die Abdichtung realisiert ist, wird als Dichtfläche bezeichnet. Die Außendichtung kann beispielsweise als Dichtring realisiert sein, der entlang des Außenumfangs des Gehäuses und/oder der Messspaltbegrenzeinrichtung angeordnet ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch ausgezeichnet, dass die Außendichtung durch das längenvariable Dichtelement realisiert ist. Das längenvariable Dichtelement ist dann derart ausgebildet, dass es im Zustand minimaler Länge eine solche Ausdehnung d aufweist, dass sich das längenvariable Dichtelement bis zu der Dichtfläche zwischen dem Gehäuse und der Messspaltbegrenzeinrichtung erstreckt. In dieser bevorzugten Ausgestaltung wird dem längenvariablen Dichtelement eine dritte Funktion zugeordnet: neben der Abdichtung der Durchdringungsstelle des Stellgliedes durch das Gehäuse und der Funktion als Referenzmedium dient das Dichtelement zudem zur Abdichtung des zwischen Gehäuse und Messspaltbegrenzeinrichtung ausgebildeten Hohlraums.
Das Dichtelement kann den gesamten Hohlraum einnehmen. Das Dichtelement kann auch so ausgebildet sein, dass es nur einen Teil des Hohlraums einnimmt. Der restliche Teil des Hohlraums kann dann beispielsweise mit einem Medium gefüllt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Spülvorrichtung auf. Die Spülvorrichtung weist eine Zuleitung zur Zuleitung eines Spülmediums in den Hohlraum und eine Ableitung zur Ableitung des Spülmediums aus dem Hohlraum auf. Eine Spülung des Hohlraums ist insbesondere dann notwendig, wenn das zu vermessende Medium an den Hohlraumwänden haften bleibt. Die Spülvorrichtung ist in einer Ausführungsform in dem Gehäuse angeordnet. Die Zuleitung und Ableitung erfolgt dann beispielsweise durch die der Messspaltbegrenzeinrichtung zugewandten Wand des Gehäuses. In einer anderen Ausführungsform ist die Spülvorrichtung in der Messspaltbegrenzeinrichtung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Spülvorrichtung außerhalb der Vorrichtung angeordnet, ist also als vollständig separate Vorrichtung realisiert. Das hat den Vorteil, dass die Spülvorrichtung nur dann mit der Vorrichtung verbunden werden muss, wenn sie zum Einsatz kommt.
Im Einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1a schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem ersten Zustand,
1b schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiten Zustand,
2a, b schematische Darstellungen einer ersten Ausgestaltung des längenvariablen Dichtelements,
3a-d schematische Darstellungen einer Ausgestaltung eines mehrteiligen längenvariablen Dichtelements,
4a-h schematische Darstellungen weiterer Ausgestaltungen eines mehrteiligen längenvariablen Dichtelements,
5 schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem dritten Zustand,
6 schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem dritten Zustand,
7 schematische Darstellung einer fünften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem dritten Zustand und
8a, b schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines längenvariablen Dichtelements.

In 1a schematisch dargestellt ist eine Vorrichtung 1 zur Messung der Stoffkonzentration eines Mediums 2. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf, in dem sich ein Sender 4 zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung und ein Empfänger 5 zum Empfangen der von dem Sender 4 ausgesandten elektromagnetischen Strahlung befindet. Nicht dargestellt, aber ebenfalls von der Erfindung umfasst ist ein modularer Aufbau der Vorrichtung 1, bei der Sender 4 und Empfänger 5 nicht in dem Gehäuse 3 angeordnet sind, sondern in einem separaten, in die Vorrichtung 1 einbringbaren Gehäuse. Die Vorrichtung 1 weist zudem eine Messspaltbegrenzeinrichtung 6 auf. Die Messspaltbegrenzeinrichtung 6 ist als Umlenkeinrichtung ausgestaltet und dient zur Umlenkung der Strahlung von dem Sender 4 zu dem Empfänger 5. Die dargestellte Messspaltbegrenzeinrichtung 6 weist dazu Umlenkelemente 7 auf, die in der dargestellten Ausgestaltung als Spiegel realisiert sind. Nicht dargestellt, aber von der Erfindung umfasst, ist ebenfalls, dass die Messspaltbegrenzeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie die elektromagnetische Strahlung absorbiert oder direkt zu dem Sender zurück reflektiert. Dann ist der Sender derart ausgebildet, dass er ebenfalls als Empfänger fungieren kann, Sender und Empfänger sind in einem Bauteil realisiert. Zwischen dem Gehäuse 2 und der Messspaltbegrenzeinrichtung 6 ist ein Messspalt 8 ausgebildet, der eine Breite b aufweist. Unter Messspalt 8 ist der Bereich zu verstehen, der zwischen dem Gehäuse 2 und der Messspaltbegrenzeinrichtung 6 liegt und mit Medium 2 befüllbar bzw. ausfüllbar ist. In der dargestellten Ausgestaltung ist die Messspaltbegrenzeinrichtung 6 schalenförmig ausgebildet, so dass der Messspalt 8 von der der Messspaltbegrenzeinrichtung 6 zugewandten Seite des Gehäuses 2 bis zum Boden der Messspaltbegrenzeinrichtung 6 reicht. Um die Breite b des Messspalts 8 einzustellen, weist die Vorrichtung 1 eine Verstelleinrichtung 9 mit einem Stellglied 10 auf. Die Verstelleinrichtung 9 ist in dem Gehäuse 2 angeordnet, wobei das Stellglied 10 das Gehäuse 2 nach außen durchdringt und mit der Messspaltbegrenzeinrichtung 6 verbunden ist. Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Stellglied 10 ist eine Dichtung 12 angeordnet, die den Gehäuseinnenraum 13 mediumdicht abdichtet. Die Dichtung 12 ist als längenvariables Dichtelement 14 ausgestaltet, wobei die Längenvariabilität in Bewegungsrichtung des Stellgliedes 10 gegeben ist. Dargestellt ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung 1. Das längenvariable Dichtelement 14 ist so ausgebildet, dass es das Stellglied 10 seinem Umfang nach umschließt. In der dargestellten Ausführungsform ist das längenvariable Dichtelement 14 mit dem Gehäuse 2 und dem Stellglied 10 verbunden. So ergibt sich eine mediumdichte Abdichtung des Gehäuses 2 an der Durchdringungsstelle 11 des Stellgliedes 10. Das längenvariable Dichtelement 14 ist derart ausgestaltet, dass sich seine Länge L mit Verringerung der Breite b des Messspalts 8 verringert. Die Länge L ist dabei die effektive Erstreckung des längenvariablen Dichtelements 14 entlang einer Achse parallel zur Bewegungsrichtung des Stellgliedes 10. Das dargestellte Dichtelement 14 ist stauchbar ausgestaltet, die Länge L des Dichtelements 14 verringert sich mit zunehmendem Grad der Stauchung. Das Dichtelement 14 ist in einem ersten Auslenkzustand gezeigt. Für weitere Ausgestaltungen des Dichtelements 14 wird auf die 2 bis 5 verwiesen.
Die 1b unterscheidet sich von der 1a zunächst darin, dass der Messspalt 8 eine geringere Breite b aufweist. Durch die Verringerung der Breite b des Messspalts 8 weist das längenvariable Dichtelement 14 einen höheren Stauchungsgrad auf, hat also eine geringere Länge L. Das Dichtelement 14 befindet sich in einem zweiten Auslenkzustand. Der zweite Auslenkzustand ist dadurch charakterisiert, dass das längenvariable Dichtelement 14 in dem zweiten Auslenkzustand in den Strahlengang 15 der elektromagnetischen Strahlung - dargestellt durch die gestrichelte Linie - hinein ragt. In der dargestellten Ausgestaltung wird das längenvariable Dichtelement 14 als Referenzmedium für eine Referenzmessung verwendet. Dem längenvariablen Dichtelement 14 ist also neben der Dichtfunktion noch eine weitere Funktion zugeordnet. Das in 1b dargestellte Dichtelement 14 ist aus einem für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gefertigt. Dementsprechend kann eine Referenzmessung in Transmission erfolgen, da die Strahlung durch das Dichtelement 14 hindurch dringen kann. Die Strahlung gelangt dann von dem Sender 4 durch ein für die Strahlung durchlässiges Fenster 16 und durch das längenvariable Dichtelement 14 zu dem ersten Umlenkelement 7, wird zu dem zweiten Umlenkelement 7 gelenkt und von dort durch ein zweites Fenster 16 zu dem Empfänger 5 gelenkt.
2 zeigt eine Ausgestaltung des längenvariablen Dichtelements 14, das faltbar ausgestaltet ist. In 2a ist das Dichtelement 14 in einem ersten Auslenkzustand dargestellt, in dem der - nicht dargestellte - Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung freigegeben ist. In einem zweiten Auslenkzustand, der in 2b dargestellt ist, ragt das Dichtelement 14 in den Strahlengang hinein und wird als Referenzmedium verwendet. Die Länge des längenvariablen Dichtelements 14 ist in 2a länger als in 2b. Durch die Faltung ist also die Länge verringert worden.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des längenvariablen Dichtelements 14. In den 3a und 3b ist das Dichtelement 14 aus verschiedenen Perspektiven und im ersten Auslenkzustand gezeigt. Im Gegensatz zu den bisher gezeigten Dichtelementen 14 ist das in 3 gezeigte Dichtelement 14 zweiteilig ausgebildet. Das Dichtelement 14 weist ein Innenteil 17 und ein Außenteil 18 auf. Das Innenteil 17 ist dabei so ausgebildet, dass es das Stellglied 10 der Verstelleinrichtung 9 seinem Umfang nach umschließt. Das Innenteil 17 ist als Faltenbalg ausgebildet. Das Außenteil 18 ist als Lamelle ausgebildet und an seinem oberen und unteren Ende jeweils mit dem oberen und unteren Ende des Innenteils verbunden. In den 3c und 3d ist das zweiteilige Dichtelement 14 aus verschiedenen Perspektiven im zweiten Auslenkungszustand gezeigt. Das Dichtelement 14 ist so ausgebildet, dass das Außenteil 18 im zweiten Auslenkungszustand in den Strahlengang 16 der elektromagnetischen Strahlung hineinragt und als Referenzmedium dient. Die dem Dichtelement 14 zugeordneten Funktionalitäten sind bei dem dargestellten Dichtelement 14 auf die jeweiligen Teile aufgeteilt: das Innenteil 17 übernimmt die Abdichtung der Durchdringungsstelle 11 des Gehäuses 2, wohingegen das Außenteil 18 die Referenzmediumfunktion übernimmt.
In den 4a bis 4h sind weitere Ausgestaltungen des längenvariablen Dichtelements gezeigt. Im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten Dichtelement 14 sind die in 4 dargestellten Dichtelemente 14 dreiteilig ausgebildet. Dargestellt sind die Dichtelemente 14 jeweils im ersten Auslenkungszustand - 4a, 4c, 4e und 4g - und im zweiten Auslenkungszustand - 4b, 4d, 4f und 4h. Neben dem Innenteil 17 und dem ersten Außenteil 18 weisen die dargestellten Dichtelemente 14 ein zweites Außenteil 19 auf, das symmetrisch dem ersten Außenteil 18 ausgebildet ist. Die Außenteile 18, 19 der 4a und 4b weisen eine in Längsrichtung des Dichtelements 14 mittige Faltstelle auf, die Erstreckung des Dichtelements 14 ist in beide Längsrichtungen von der Faltstelle aus gesehen gleich lang. Die in 4c und 4d dargestellten Außenteile 18, 19 unterscheiden sich dadurch, dass die Außenteile jeweils einen parallel zur Längsrichtung des Dichtelements 14 ausgebildeten Mittelbereich aufweisen, der im zweiten Auslenkzustand des Dichtelements parallel zur Längsrichtung verbleibt. Im zweiten Auslenkzustand hat das Dichtelement 14 demnach einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Das in den 4e und 4f dargestellte Dichtelement besitzt zwei Au-ßenteile 18, 19, die ebenfalls eine Faltstelle aufweisen. Im Unterschied zu den in den 4a und 4b dargestellten Außenteilen ist die Erstreckung des Dichtelements 14 unterschiedlich in beiden Längsrichtungen von der Faltstelle aus gesehen. Die in den 4g und 4h dargestellten Außenteile 18, 19 weisen drei Faltstellen auf.
Die Erfindung ist nicht begrenzt auf die dargestellten Ausgestaltungen. Nicht dargestellt, aber dennoch umfasst sind sämtliche Ausgestaltungen, bei denen die Anzahl der Außenteile zunimmt und/oder bei denen die einzelnen Außenteile nicht symmetrisch oder identisch ausgebildet sind, sondern sich ihrer Form nach unterscheiden. Ebenfalls umfasst sind weitere denkbare Formen der Außenteile.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 1. Die hier dargestellte Vorrichtung 1 entspricht im Wesentlichen der in den 1a und 1b dargestellten Vorrichtungen 1. Das längenvariable Dichtelement 14 ist in der dargestellten Ausgestaltung aus einem die elektromagnetische Strahlung reflektierenden Material ausgebildet. Die Strahlung kann demnach das Dichtelement 14 nicht passieren. Das Dichtelement 14 reflektiert die von dem Sender 4 kommende Strahlung zurück zu dem Sender 4, der ebenfalls als Empfänger 5 fungiert. Sender 4 und Empfänger 5 sind demnach in einem Bauteil realisiert. Das längenvariable Dichtelement 14 ist mit einer Klebeverbindung mit dem Gehäuse 2 und dem Stellglied 10 verbunden. Das unterscheidet die hier dargestellte Ausgestaltung von der in 1b dargestellten Ausgestaltung, bei der das längenvariable Dichtelement 14 nur mit dem Gehäuse 2 mit einer Klebeverbindung verbunden ist. Die Verbindung zwischen Dichtelement 14 und Stellglied 10 wird in 1b durch eine Klemmvorrichtung 27 realisiert. Zusätzlich ist die in 5 dargestellte Vorrichtung 1 derart ausgestaltet, dass sich im Zustand minimaler Länge des längenvariablen Dichtelements 14 ein Hohlraum 20 zwischen dem Gehäuse 2 und derMessspaltbegrenzeinrichtung 6 ausbildet. Das Gehäuse 2 und die Messspaltbegrenzeinrichtung 6 bilden eine Dichtfläche 21 aus. Mit einer Außendichtung 22, die hier als Dichtring ausgestaltet ist, wird der Hohlraum 20 im Bereich der Dichtfläche 21 mediumdicht abgedichtet. Die Vorrichtung 1 weist zudem eine Spülvorrichtung 23 auf. Die Spülvorrichtung 23 dient zur Spülung des Hohlraums 20. Hierzu weist die Spülvorrichtung 23 eine Zuleitung 24 auf, über die ein nicht dargestelltes Spülmedium in den Hohlraum 20 eingeführt werden kann. Die Spülvorrichtung 23 weist ferner eine Ableitung 25 auf, so dass das Spülmedium wieder aus dem Hohlraum 20 abgeleitet werden kann. Durch die Spülvorrichtung 23 wird eine Reinigung des Hohlraums 20 ermöglicht. Eine Reinigung ist beispielsweise dann notwendig, wenn eine Referenzmessung realisiert werden soll und sichergestellt werden soll, dass sich kein Restmedium in dem Hohlraum 20 befindet. Die Zuleitung 24 und die Ableitung 25 sind in der dargestellten Ausführungsform durch Ausnehmungen 26 in der Messspaltbegrenzeinrichtung 6 in den Hohlraum 20 geleitet, wobei die Ausnehmungen 26 abgedichtet sind.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 1. Im Unterschied zu der in 5 dargestellten Ausgestaltung ist hier die Messspaltbegrenzeinrichtung 6 nicht als Umlenkeinrichtung ausgestaltet. Vielmehr ist hier ein zweiter Empfänger 5 in der Messspaltbegrenzeinrichtung 6 angeordnet. Sender 4 und der zweite Empfänger 5 stehen dann in direktem Wirkzusammenhang. Das längenvariable Dichtelement 14 dient als Referenzmedium und ist aus einem reflektierenden Material gefertigt. Eine Referenzmessung erfolgt demnach in Reflexion. Dafür sind Sender 4 und der erste Empfänger 5 in einem Bauteil realisiert.
Die in 7 dargestellte Ausgestaltung der Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten Ausgestaltung dadurch, dass der zweite Empfänger 5 nicht in der Messspaltbegrenzeinrichtung 6, sondern in dem Gehäuse 3 angeordnet ist.
In 8 sehr schematisch dargestellt ist eine weitere Ausführungsform, bei der das längenvariable Dichtelement 14 die Funktion der Außendichtung 22 übernimmt, indem es sich im Zustand minimaler Länge bis zu der Dichtfläche 21 erstreckt. Zudem füllt das Dichtelement 14 den gesamten Hohlraum 20 aus und verdrängt damit jegliches Restmedium. So kann auf eine separate Spülung verzichtet werden.
Bezugszeichen

1: Vorrichtung
2: Medium
3: Gehäuse
4: Sender
5: Empfänger
6: Messspaltbegrenzeinrichtung
7: Umlenkelement
8: Messspalt
9: Verstelleinrichtung
10: Stellglied
11: Durchdringungsstelle
12: Dichtung
13: Gehäuseinnenraum
14: längenvariables Dichtelement
15: Strahlengang
16: Fenster
17: Innenteil des längenvariablen Dichtelements
18: Außenteil des längenvariablen Dichtelements
19: zweites Außenteil des längenvariablen Dichtelements
20: Hohlraum
21: Dichtfläche zwischen Gehäuse und Messspaltbegrenzeinrichtung
22: Außendichtung
23: Spülvorrichtung
24: Zuleitung der Spülvorrichtung
25: Ableitung der Spülvorrichtung
26: Ausnehmungen
27: Klemmvorrichtung

Claims

Vorrichtung (1) zur Messung von Stoffkonzentrationen eines Mediums (2), mit einem Gehäuse (3), mit einem in dem Gehäuse (3) angeordneten Sender (4) zum Senden elektromagnetischer Strahlung und mit einem in dem Gehäuse (3) angeordneten Empfänger (5) zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung, mit einer Umlenkeinrichtung (6) zum Umlenken der elektromagnetischen Strahlung von dem Sender (4) zu dem Empfänger (5), wobei zwischen dem Gehäuse (3) und der Umlenkeinrichtung (6) ein Messspalt (8) einer Breite b zur Vermessung des Mediums (2) gebildet ist, und mit einer Verstelleinrichtung (9) zur Einstellung der Breite b des Messspaltes (8), wobei die Verstelleinrichtung (9) in dem Gehäuse (3) angeordnet ist und mit einem Stellglied (10) das Gehäuse (3) nach außen durchdringt, wobei das Stellglied (10) mit der Umlenkeinrichtung (6) verbunden ist, und mit einer Dichtung (12), wobei die Dichtung (12) zwischen dem Gehäuse (3) und dem Stellglied (10) angeordnet ist und zur Abdichtung des Gehäuses (3) an der Durchdringungsstelle (11) des Stellgliedes (10) dient, derart, dass der Gehäuseinnenraum (13) mediumdicht abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (12) als in Bewegungsrichtung des Stellgliedes (10) längenvariables Dichtelement (14) realisiert ist, wobei das längenvariable Dichtelement (14) das Stellglied (10) im Bereich des Messspaltes (8) zumindest teilweise seinem Umfang nach umschließt, wobei das längenvariable Dichtelement (14) mit seinem ersten Ende mit dem Gehäuse (3) verbunden ist und mit seinem zweiten Ende mit dem Stellglied (10) oder der Umlenkeinrichtung (6) verbunden ist, so dass eine mediumdichte Abdichtung des Gehäuses (3) an der Durchdringungsstelle (11) des Stellgliedes (10) realisiert ist, und wobei die Länge des längenvariablen Dichtelements (14) mit Verringerung der Breite b des Messspaltes (8) abnimmt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenvariabilität des Dichtelements (14) dadurch realisiert ist, dass das Dichtelement (14) dehnbar, stauchbar und/oder faltbar ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) in einem ersten Auslenkzustand den Strahlengang (15) der elektromagnetischen Strahlung freigibt und in einem zweiten Auslenkzustand in den Strahlengang (15) der elektromagnetischen Strahlung hinein ragt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) in seinem zweiten Auslenkzustand als Referenzmedium für eine Referenzmessung dient.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet ist, wobei das längenvariable Dichtelement (14) ein Innenteil (17) und wenigstens ein erstes Außenteil (18) aufweist, wobei das Innenteil (17) das Stellglied (10) zumindest im Bereich des Messspaltes (8) seinem Umfang nach umschließt, wobei das wenigstens erste Außenteil (18) derart mit dem Innenteil (17) verbunden ist, dass das Außenteil (18) in einem ersten Auslenkzustand den Strahlengang (15) der elektromagnetischen Strahlung freigibt und in einem zweiten Auslenkzustand in den Strahlengang (15) hinein ragt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) mit einer Klemmeinrichtung (27) an dem Gehäuse (3) und/oder an dem Stellglied (10) oder der Umlenkeinrichtung (6) befestigt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) durch eine stoffschlüssige Verbindung - insbesondere durch eine Klebverbindung - mit dem Gehäuse (3) und/oder dem Stellglied (10) oder der Umlenkeinrichtung (6) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) aus einem Kunststoff gefertigt ist, insbesondere aus Fluorkautschuk (FKM, FPM, EPDM) oder Perflorkautschuk (FFKM, FFPM) gefertigt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) zumindest teilweise aus einem für die elektromagnetische Strahlung zumindest halbdurchlässigem Material gefertigt ist, derart, dass eine Referenzmessung in Transmission gemessen werden kann.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das längenvariable Dichtelement (14) zumindest teilweise aus einem für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise - insbesondere total - reflektierenden Material gefertigt ist, derart, dass eine Referenzmessung in Reflexion gemessen werden kann.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Zustand minimaler Länge des längenvariablen Dichtelements (14) ein Hohlraum (20) zwischen dem Gehäuse (3) und der Umlenkeinrichtung (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) und die Umlenkeinrichtung (6) eine Dichtfläche (21) ausbilden und dass zwischen dem Gehäuse (3) und der Umlenkeinrichtung (6) eine Außendichtung (22) vorgesehen ist, wobei die Außendichtung (22) im Zustand minimaler Länge des längenvariablen Dichtelements (14) einen mediumdichten Abschluss zwischen Gehäuse (3) und Umlenkeinrichtung (6) im Bereich der Dichtfläche (21) realisiert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass die Außendichtung (22) durch das längenvariable Dichtelement (14) gebildet wird, derart, dass sich das längenvariable Dichtelement (14) in seinem Zustand minimaler Länge bis zu der Dichtfläche (21) erstreckt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülvorrichtung (23) zur Spülung des Hohlraums (20) vorgesehen ist, wobei die Spülvorrichtung (23) eine Zuleitung (24) zur Zuleitung eines Spülmediums in den Hohlraum (20) und eine Ableitung (25) zur Ableitung des Spülmediums aus dem Hohlraum (2) aufweist.