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Die Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Verfahren zur Verwendung des Messsystems.
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In der optischen Prozessmesstechnik strömt ein zu messendes Medium an einem oder mehreren Beobachtungsfenstern (auch „optisches Fenster“ oder „Probefenster“ genannt) vorbei. Das optische Fenster ist dabei entweder fest, z.B. in ein Rohr, eingebaut oder es ist Bestandteil einer Messsonde, kurz Sonde genannt. Durch diese Beobachtungsfenster wird Licht ausgesendet und nach dem Durchtritt durch das zu messende Medium wieder empfangen. Empfangen wird dann je nach Anwendung und Sonde transmittiertes, reflektiertes, emittiertes, insbesondere fluoresziertes, und/oder gestreutes Licht. Derartige Systeme werden im Folgenden als Messsysteme bezeichnet und umfassen beispielsweise u.a. ein Gehäuse mit einem Fenster, ein oder mehrere Lichtquellen, und entsprechende Empfänger. Bekannte Probleme bei dieser Messmethode sind dabei die Fensterverschmutzung, die Zuordnung einer Probe zu den Messwerten und Turbulenzen des Messmediums bzw. eine nicht reproduzierbare Probenpräsentation vor dem Messfenster. Als „Probe“ wird ein bestimmtes Volumen des zu messenden Mediums bezeichnet.
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Ähnliche Problem treten auf bei chemischen oder physikalischen Sensoren, die in Kontakt mit dem zu messenden Medium sind. Auch dort kann der Bereich des Sensors, der mit dem Medium direkt in Kontakt steht, im Folgenden als „Kontaktbereich“ bezeichnet, verschmutzen und eine Messung erschweren oder unmöglich machen.
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Ein Verschmutzen des Messfensters, im Allgemeinen des Kontaktbereichs, und Turbulenzen im Medium können zu einem Versagen des Messsystems führen, da immer dieselbe Probe gemessen wird bzw. ein erhöhtes Rauschen des Messsignals auftritt. Eine nicht reproduzierbare Probenpräsentation führt auch zu einer erhöhten Messunsicherheit. Ein unzureichend genaues Sampling (Zuordnung der Probe zum Messsignal) oder eine nicht reproduzierbare Präsentation der Probe vor dem Messfenster/Kontaktbereich führen dazu, dass eine Kalibration des Messsystems, z.B. über ein chemometrisches Modell, nicht genügend genau oder gar unmöglich wird.
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Es sind Lösungen zum Reinigen des Probenfensters bekannt. Beispielsweise ermöglicht eine radiale Anordnung der optischen Fenster die Reinigung des Beobachtungsfensters durch Zurückziehen der Sonde in eine Waschkammer sowie eine Inline-Kalibrierung. Dies hat den Nachteil, dass das Beobachtungsfenster, also die Sonde oder der gesamte Sensor, bewegt werden. Je nach Gewicht und erforderlichem Verfahrweg führt dies wegen der geforderten Robustheit und Größe der Wechselarmatur zu hohen mechanischen Anforderungen und einen hohen Platzbedarf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschmutzung, die nicht-Zuordenbarkeit einer Referenzprobe zur Messung mit der Sonde und eine nicht reproduzierbare Probenpräsentation vor der Sonde zu umgehen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem, umfassend: eine Sonde, umfassend zumindest einen Sensor, der einen Kontaktbereich umfasst über den der Sensor in Kontakt mit einem zu messenden Medium ist; und eine Armatur, umfassend zumindest ein im wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum, ein Tauchrohr, das axial im Gehäuseinnenraum zwischen einer ersten, aus dem Medium herausgefahrenen, Position, und einer zweiten, in das Medium hineingefahrenen, Position beweglich ist, wobei das Tauchrohr an dem Medium zugewandten Endbereich einen Abdeckbereich umfasst, wobei das Tauchrohr in der zweiten Position durch den Abdeckbereich den Kontaktbereich abdeckt, dadurch den Kontakt des Kontaktbereichs mit dem Medium unterbricht und ein Volumen des zu messenden Medium separiert.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Sensor um einen physikalischen oder chemischen Sensor, insbesondere um einen pH-Sensor oder einen Sensor zur Messung der Leitfähigkeit, handelt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Sensor um einen optischen Sensor handelt, wobei die Sonde zumindest umfasst: eine Lichtquelle, und zumindest ein optisches Fenster, das als Kontaktbereich in Kontakt mit dem zu messenden Medium ist, wobei die Lichtquelle Licht durch das optische Fenster in Richtung dem zu messenden Medium ausstrahlt. Entsprechend umfasst die oben angesprochene Armatur zumindest ein im wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum, ein Tauchrohr, das axial im Gehäuseinnenraum zwischen einer ersten, aus dem Medium herausgefahrenen, Position, und einer zweiten, in das Medium hineingefahrenen, Position beweglich ist, wobei das Tauchrohr am dem Medium zugewandten Endbereich einen Abdeckbereich umfasst, wobei das Tauchrohr in der zweiten Position durch den Abdeckbereich das optische Fenster abdeckt, dadurch den Kontakt des optischen Fensters mit dem Medium unterbricht und ein Volumen des zu messenden Medium separiert.
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Diese Lösung ermöglicht somit, nicht die komplette Sonde, den Kontaktbereich oder das fest eingebaute Beobachtungsfenster zu bewegen, sondern vielmehr eine entkoppelte Vorrichtung zu schaffen. Diese Vorrichtung kommt mit einer geringeren Baugröße und einem geringen Platzbedarf aus. Weiterhin kann es an bereits bestehenden Systemen angeschlossen werden und an die jeweilige Aufgabe angepasst werden. Des Weiteren ergibt sich eine Gewichtsersparnis, was z.B. auch eine Reinigung/Kalibrierung etc. schwerer Sensoren ermöglicht. Da sich die Sonde mit dem Sensor an sich nicht bewegt, ergeben sich auch keine bewegten optischen Bauteile.
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Mit dem durch das Messsystem separierte Volumen können verschiedene Untersuchungen durchgeführt werden, beispielsweise eine Messung, Entnahme, Kalibrierung etc. worauf im Folgenden eingegangen wird.
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Durch die beschriebene Vorrichtung kann das Medium reproduzierbar direkt beim Kontaktbereich, beispielsweise vor dem Beobachtungsfenster, vermessen werden, wodurch Turbulenzen und ähnliches umgangen werden
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Die Erfindung umgeht die Probleme bei der Reinigung von optischen Messsonden, besonders von festeingebauten Beobachtungsfenstern (siehe unten). Im Allgemeinen umgeht die Erfindung die Probleme bei der Reinigung von Sensoren, die in Kontakt mit einem zu messenden Medium stehen. Zusätzlich kann die Sonde das Medium vermessen, welches beispielsweise danach als Referenzprobe für die Laboranalytik oder als Rückstellmuster gezogen wird (siehe unten).
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Das durch die Vorrichtung separierte Probenvolumen kann exakt vor dem Beobachtungsfenster bzw. vor der Sonde positioniert werden und vom sonstigen Prozess abgeschlossen werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, das Prozessmedium ohne Turbulenzen, Druckschwankungen, Luftblasen oder weiteren störenden Einflüssen zu vermessen. Dies erlaubt somit Inline-Messungen im Prozess unter konstanten Bedingungen innerhalb eines kleinen Volumens um die Sonde herum.
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Die erste bzw. zweite Position sind dabei als Start- und Endposition zu betrachten. In einer Ausgestaltung ist das Tauchrohr in zumindest eine dritte Position beweglich, die sich zwischen der ersten und der zweiten Position befindet.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Tauchrohr mittels Versorgungsenergie, insbesondere mittels Druckluft, beweglich ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Armatur einen Faltenbalg umfasst. Dadurch entsteht kein Dichtungsabrieb und erhöht die Lebensdauer des Messsystems.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Tauchrohr zumindest einen ersten Zugang für Reinigungsmedium und/oder Trocknungsmedium, zum Abdeckbereich umfasst, wodurch in der zweiten Position der Kontaktbereich, beispielsweise das optische Fenster, mittels des Reinigungsmediums reinigbar und/oder mittels dem Trocknungsmedium bei Druck oder Unterdruck getrocknet werden kann. Beispiele für Trocknungsmedium sind Druckluft, Stickstoff oder andere Gase.
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Die vorgestellte Lösung erlaubt es ein bestimmtes Volumen um eine bereits installierte Sonde zu separieren, um eine Reinigung der Sonde zu erlauben, ohne dass der Prozess gestoppt werden muss oder dieser durch das Reinigungsmedium kontaminiert wird. Ein Vorteil der Vorrichtung ist es, dass durch diese eine gereinigte Sonde auch getrocknet werden kann.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Tauchrohr zumindest einen zweiten Zugang zum Abdeckbereich umfasst, wodurch in der zweiten Position eine Probe vom zu messenden Medium entnehmbar ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Tauchrohr eine Öffnung aufweist, die so positioniert ist, dass diese zumindest in der zweiten Position einen Fluss des Mediums zum Kontaktbereich, also beispielsweise zum optischen Fenster, freigibt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Armatur gegenüberliegend des Kontaktbereichs, also beispielsweise gegenüber dem optischen Fenster, der Sonde, insbesondere an einem Rohr, angeordnet ist.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum optischen Bestimmen eines Messwerts eines zu messenden Mediums mit einer Sonde, umfassend die Schritte: Bewegen eines Tauchrohrs einer Armatur über ein optisches Fenster der Sonde, sodass der Kontakt des optischen Fensters mit dem zu messenden Medium unterbrochen wird; und Bestimmen des Messwerts, insbesondere durch Ausstrahlen von Licht von einer Lichtquelle der Sonde durch das optische Fenster in das Medium und Empfangen von im/durch das zu messende Medium transmittierte, gestreute, emittierte, insbesondere fluoreszierte, und/oder reflektierte Licht.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Messwerts eines zu messenden Mediums mit einer Sonde, umfassend die Schritte Bewegen eines Tauchrohrs einer Armatur über einen Kontaktbereich der Sonde, sodass der Kontakt des Kontaktbereichs mit dem zu messenden Medium unterbrochen wird, und Bestimmen des Messwerts, insbesondere durch einen physikalischen oder chemischen Sensor, insbesondere einen pH-Sensor oder einen Sensor zur Bestimmung der Leitfähigkeit.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Reinigen eines Kontaktbereichs einer Sonde, umfassend die Schritte: Bewegen eines Tauchrohrs einer Armatur über den Kontaktbereich, sodass der Kontakt des Kontaktbereichs mit einem zu messenden Medium unterbrochen wird, und Einbringen von Reinigungsmedium und/oder Trocknungsmedium durch das Tauchrohr zum Kontaktbereich.
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In einer Ausgestaltung wird die Aufgabe weiter gelöst durch ein Verfahren zum Reinigen eines optischen Fensters einer Sonde, umfassend die Schritte: Bewegen eines Tauchrohrs einer Armatur über das optische Fenster, sodass der Kontakt des optischen Fensters mit einem zu messenden Medium unterbrochen wird; und Einbringen von Reinigungsmedium und/oder Trocknungsmedium durch das Tauchrohr zum optischen Fenster.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch Verfahren zum Entnehmen einer Probe eines zu messenden Medium, umfassend die Schritte: Bewegen eines Tauchrohrs einer Armatur über einen Kontaktbereich einer Sonde, sodass der Kontakt des Kontaktbereichs mit dem zu messenden Medium unterbrochen wird, und Entnehmen der Probe durch das Tauchrohr.
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In einer Ausgestaltung wird die Aufgabe weiter gelöst durch ein Verfahren zum Entnehmen einer Probe eines zu messenden Medium, umfassend die Schritte: Bewegen eines Tauchrohrs einer Armatur über ein optisches Fenster einer Sonde, sodass der Kontakt des optischen Fensters mit dem zu messenden Medium unterbrochen wird; und Entnehmen der Probe durch das Tauchrohr.
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Das durch die Vorrichtung separierte Probenvolumen kann exakt vor dem Beobachtungsfenster bzw. von der Sonde vermessen und gegebenenfalls anschließend dem Prozess entnommen werden. Hierdurch wird eine exakte Zuordnung der entnommenen Probe, welche später im Labor zur Ermittlung von Referenzwerten untersucht werden kann, zur Messung mittels der Sonde gewährleistet. Dies löst ein häufig auftretendes Problem der Prozessspektroskopie, da ohne diese exakte Zuordnung der Messwerte von der Sonde zum Laborwert (Referenzwert) eine Kalibration extrem problematisch wird. Die Entnahme der Probe als Rückstellmuster ist ebenfalls möglich.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sonde, umfassend die Schritte: Bewegen eines Tauchrohrs einer Armatur über einen Kontaktbereich der Sonde, sodass der Kontakt des Kontaktbereichs mit einem zu messenden Medium unterbrochen wird, und Einbringen von Kalibrationsmedium durch das Tauchrohr zum Kontaktbereich.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
- 1a/b zeigt das beanspruchte Messsystem in der ersten Position in zwei Ausführungen.
- 2 zeigt das beanspruchte Messsystem in der zweiten Position in einer Ausgestaltung.
- 3 zeigt das beanspruchte Messsystem in der zweiten Position in einer Ausgestaltung.
- 4a/b zeigt das beanspruchte Messsystem in einer Ausgestaltung in der ersten bzw. zweiten Position.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Lösung für das oben dargelegte Problem ist das Messsystem 1, welches sich zur automatisierten Probennahme für Referenzierungen/Kalibrierungen und Reinigung von Sonden und fest eingebauten Beobachtungsfenstern 4 eignet. Zusammengefasst bewegt sich beim beanspruchten Messsystem 1 nicht die komplette Sonde oder das eingebaute Beobachtungsfenster, sondern vielmehr eine von der Sonde 3 entkoppelte Vorrichtung. Diese Vorrichtung, hier als Armatur 2 bezeichnet, kann mit einer geringeren Baugröße und einem geringen Platzbedarf auskommen. Weiterhin kann es an bereits bestehende Systeme angeschlossen werden und an die jeweilige Aufgabe angepasst werden. Eine mögliche Realisierung dieser Armatur 2 sieht vor, diese gegenüber der Sonde 3 bzw. des fest eingebauten Beobachtungsfensters 4 anzubauen, beispielsweise an einem Rohr 12, siehe dazu die 1a, 1b, 2, 3 und 4a/b.
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Das Messsystem 1 umfasst eine Armatur 2 und eine Sonde 3. Die Armatur 2 und die Sonde 3 sind einander gegenüberliegend an einem Rohr 12 angeordnet. Im Rohr 12 fließt das zu messende Medium 9.
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Die Sonde 3 umfasst einen Sensor 16. Die Ausführungen in den 1a/b, 2 und 3 zeigen die Ausgestaltung des Sensors 16 als optischer Sensor. Über einen Kontaktbereich 17 hat der Sensor 16 Kontakt mit dem zu messenden Medium 9. Im Falle des optischen Sensors ist der Kontaktbereich 17 als optisches Fenster 4 ausgestaltet. Der Sensor kann ebenso als physikalischer oder chemischer Sensor, insbesondere als pH-Sensor oder als Sensor zur Messung der Leitfähigkeit ausgestaltet sein. Dies zeigt 4a/b.
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In 1a ist im Rohr 12 ein festes optisches Fenster 4 angeordnet. Das optische Fenster 4 ist Teil der Sonde 3. Die Sonde umfasst zudem eine Lichtquelle und einen entsprechenden Empfänger. Die Lichtquelle (nicht dargestellt) strahlt Licht durch das optische Fenster 4 in das Medium 9. Der Empfänger empfängt das vom/im zu messenden Medium 9 transmittierte, gestreute, emittierte, insbesondere fluoreszierte, und/oder reflektierte Licht. In einer Ausgestaltung handelt es sich um ein Messsystem 1 zur Bestimmung der Fluoreszenz. Dann ist der Empfänger ausgestaltet Fluoreszenzlicht zu empfangen. In einer Ausgestaltung handelt es sich um ein Messsystem 1 zur Bestimmung der Raman-Streuung. Der Empfänger ist dann entsprechend ausgestaltet um die Raman-Streuung zu detektieren. In einer Ausgestaltung ist das Messsystem 1 als Raman-Spektrometer ausgestaltet. Der Empfänger ist dann entsprechend ausgestaltet zur spektroskopischen Untersuchung der Raman-Streuung.
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In 1b ist die Sonde 3 als Transmissionssonde ausgestaltet. Hier ragt ein Teil der Sonde 3 in das Medium 9. Licht aus der Lichtquelle 13 wird hier durch ein erstes optisches Fenster 4 in das Medium 9 eingestrahlt und durch ein zweites optisches Fenster 4 wieder empfangen. Die Lichtleitung kann beispielsweise mittels Lichtleitern erfolgen, sodass der eigentliche Empfänger 14 nicht mediumsseitig montiert werden muss, sondern außerhalb des Rohrs 12 angebracht ist. Der Lichtpfad ist gestrichelt mit dem Bezugszeichen 15 dargestellt. Etwaig vorhandene optische Elemente wie Spiegel, Prismen etc. sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Die Armatur umfasst ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum. Die Armatur 2 umfasst ein Tauchrohr 6, das axial im Gehäuseinnenraum zwischen einer ersten, aus dem Medium 9 herausgefahrenen, Position, und einer zweiten, in das Medium 9 hineingefahrenen, Position beweglich ist. Die 1a/b zeigen diese erste Position; die 2 und 3 zeigen diese zweite Position. Das Tauchrohr 6 kann per Versorgungsenergie, beispielsweise mittels Druckluft bewegt werden. Die erste bzw. zweite Position sind dabei als Start- und Endposition zu betrachten. Das Tauchrohr kann auch in zumindest eine dritte Position fahren, die sich zwischen der ersten und der zweiten Position befindet. Das Tauchrohr 6 kann auch einen Faltenbalg umfassen.
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Das Tauchrohr 6 umfasst an seinem dem Medium 9 zugewandten Endbereich einen Abdeckbereich 5. In der zweiten Position deckt das Tauchrohr 6 mittels dem Abdeckbereich 5 das optische Fenster 4 ab. Dadurch wird der Kontakt des optischen Fensters 4 mit dem Medium 9 unterbrochen und das/die Fenster 4 werden vom zu messenden Medium 9 abgedichtet. Der Abdeckbereich 5 des Tauchrohrs 6 umfasst dazu entsprechende Dichtungen, die sich an die Sonde 3 und/oder das Rohr 12 anpassen. In der zweiten Position wird der Kontakt des Kontaktbereichs 17, also des Fensters 4, mit dem Medium 9 unterbrochen und ein Volumen des zu messenden Medium 9 separiert. Mit dem separierten Volumen können verschiedene Untersuchungen durchgeführt werden, beispielsweise eine Messung, Entnahme, Kalibrierung etc.
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In 2 umfasst das Tauchrohr 6 einen ersten Zugang 7 für Reinigungsmedium und/oder Trocknungsmedium, zum Beispiel Druckluft oder Stickstoff. Der Zugang 7 reicht bis zum Abdeckbereich 5, wodurch das Fenster 4 mittels des Reinigungsmediums gereinigt und/oder mittels der Trocknungsmedium trocken geblasen wird. Es ergibt sich somit eine Reinigung der Beobachtungsfester 4 mit Abschluss zum Prozess (Medium 9).
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In 2 umfasst das Tauchrohr 6 auch einen zweiten Zugang 8. Der Zugang 8 reicht zum Abdeckbereich 5, wodurch eine Probe vom zu messenden Medium 9 entnommen werden kann. Es sind entsprechende Pumpen (nicht dargestellt) vorhanden. Es ergibt sich somit eine Probennahme bei gleichzeitiger Vermessung des Mediums 9 durch die Sonde 3.
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Der Zugang 7, 8 kann einen oder mehrere Schläuche, Rohre, Leitungen etc. umfassen.
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In 3 umfasst das Tauchrohr 6 eine Öffnung 11. Die Öffnung 11 ist so angeordnet, dass diese zumindest in der zweiten Position des Tauchrohrs 6 einen Fluss des Mediums 9 zum optischen Fenster 4 ermöglicht. Das durch den Abdeckbereich 5 separierte Volumen des Mediums 9 kann exakt vor dem Beobachtungsfenster 4 bzw. vor der Sonde 3 positioniert werden und vom sonstigen Prozess abgeschlossen werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, das Medium 9 ohne Turbulenzen, Druckschwankungen, Luftblasen oder weiteren störenden Einflüssen zu vermessen.
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Jegliche Kombinationen der vorgestellten Ausgestaltungen sind möglich. So kann das Tauchrohr 6 entweder eine ersten Zugang 7 oder einen zweiten Zugang 7 umfassen. In beiden Varianten kann das Tauchrohr 6 eine Öffnung 11 umfassen.
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Die 4a/b zeigen die Ausgestaltung des Sensors 16 als pH-Sensor. 4a zeigt die erste Position der Armatur 2, 4b die zweite Position der Armatur 2. Für diese Ausgestaltungen des Sensors gilt das in den oberen Abschnitten beschriebene entsprechend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messsystem
- 2
- Armatur
- 3
- Sonde
- 4
- optisches Fenster
- 5
- Abdeckbereich
- 6
- Tauchrohr
- 7
- erster Zugang
- 8
- zweiter Zugang
- 9
- zu messendes Medium
- 11
- Öffnung in 6
- 12
- Rohr
- 13
- Lichtquelle
- 14
- Empfänger
- 15
- Lichtpfad
- 16
- Sensor
- 17
- Kontaktbereich
