DE1223590B - Sonde zum Messen der Dichte oder Konzentration eines Fluids - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int, CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIn

Deutsche Kl.: 421-1/03

M48052IXV421
16. Februar 1961
25. August 1966

Die Erfindung betrifft eine Sonde zum Messen von Dichte oder Konzentration eines Fluids nach dem Prinzip der Bestimmung des Strahlungsverlustes, den eine Strahlung erleidet, die einen in das Fluid eintauchbaren Lichtleitstab durchsetzt. Der Lichtleitstab besteht hierbei aus einem die Strahlung nur sehr geringfügig absorbierenden oder streuenden Werkstoff.

Es ist bereits eine Meßeinrichtung nach dem Absorptionsprinzip bekannt, die aus einem Durchflußbehälter besteht, in den ein Lichtleitstab eingebaut ist und aus zwei Seiten des Behälters herausragt. An dem einen Ende des Lichtleitstabes ist eine Lichtquelle und auf der anderen Seite eine fotoelektrische Zelle angebracht. Die in den Lichtleitstab einfallenden Lichtstrahlen werden je nach der Dichte der zu messenden Flüssigkeit an der Berührungsfläche zwischen dem Lichtleitstab und der Flüssigkeit gebrochen, wobei die von der Umgebung des Lichtleitstabes absorbierte Lichtmenge ein Maß des Brechungsindex zwischen dem Stab und der Meßflüssigkeit und damit der Dichte der zu messenden Flüssigkeit ist. Diese bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß ein besonderer Meßbehälter erforderlich ist, weil der Meßstab an beiden Enden aus dem Meßbehälter herausragen muß, damit die Lichtquelle und die fotoelektrische Zelle angebracht werden können. Diese bekannte Meßeinrichtung kann also nur in einen Durchflußweg eingefügt werden, indem der Durchflußweg vorher unterbrochen und an den Meßbehälter angeschlossen wird. Ein nachträgliches Einfügen der Meßeinrichtung an beliebiger Stelle eines Durchflußweges, der nicht unterbrochen werden kann, ist also nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, eine Meßsonde vorzuschlagen, die die aufgezeigten Nachteile dieser bekannten Meßeinrichtung vermeidet.

Die erfindungsgemäße Sonde zum Messen von Dichte oder Konzentration eines Fluids nach dem Prinzip der Bestimmung des Strahlungsverlustes, den eine Strahlung erleidet, die einen in das Fluid in reproduzierbarer Weise eintauchbaren, aus die Strahlung nur sehr geringfügig absorbierendem oder streuendem Werkstoff bestehenden Stab (Lichtleitstab) durchsetzt, ist dadurch gekennzeichnet, daß das dem Strahlungseintrittsende des Lichtleitstabes gegenüberliegende Stabende einen reflektierenden Überzug im etwa rechten Winkel zur Längsachse des Stabes aufweist.

Diese erfindungsgemäße Konstruktion hat den erheblichen Vorteil, daß diese Meßsonde von einer Sonde zum Messen der Dichte oder
Konzentration eines Fluids

Anmelder:

Honeywell Inc., Minneapolis, Minn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Mertens, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Neue Mainzer Str. 40-42

Als Erfinder benannt:

Walter Witt,

Kurt A. Mellentin, Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. Februar 1960 (9260)

Seite her in ein zu messendes Fluid eingetaucht werden kann, ohne daß dabei die andere Seite aus dem Meßbehälter herauszuragen braucht. Eine solche Meßsonde kann ohne weiteres in ein einfaches Loch einer Durchflußleitung eingefügt werden, ohne daß hierzu ein besonderer Meßbehälter erforderlich wäre. Es ist zwar bereits ein Eintauchrefraktometer bekannt, das ohne weiteres von einer Seite her in eine zu messende Flüssigkeit eingetaucht werden kann. Dieses bekannte Meßgerät arbeitet jedoch nach einem anderen Verfahren, und zwar werden Lichtstrahlen entlang der Längsachse eines Lichtleitstabes in einen solchen Stab hineingeworfen und an zwei Prismenflächen am Ende des Stabes zurückflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen werden ebenfalls parallel zurückgeworfen. Die schrägen zur Längsachse des Lichtstabes angeordneten Prismenflächen stehen mit der zu messenden Flüssigkeit in Berührung und haben eine solche Neigung, daß gerade die Grenze der Totalreflektion erreicht wird. Von dem einen Ende des Lichtleitstabes kann nun die Grenzlinie der Totalreflektion beobachtet werden. Mit diesem Gerät kann jedoch der Brechungsindex einer zu messenden Flüssigkeit und damit die Dichte oder Konzentration dieser Flüssigkeit nur in relativ engen, von der Natur

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des eintauchenden Stabes stark abhängigen Grenzen und zunächst nur subjektiv bestimmt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt S

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene 2-2 der Fig. 1,

F i g. 3 einen der F i g. 4 ähnlichen Schnitt, in der jedoch eine abgewandelte Form der Lichtquelle dargestellt ist,

Fig. 4 einen Schnitt in der Ebene 4-4 der Fig. 1, F i g. 5 einen Schnitt in der Ebene 5-5 der F i g. 1,

F i g. 6 eine abgewandelte Ausführungsform eines Teiles der Anordnung nach F i g. 1,

Fig. 7 eine andere abgewandelte Ausführungsform des gleichen Teiles,

F i g. 8 einen Schnitt in der Ebene 8-8 der F i g. 7,

F i g. 9 eine Abwandlungsform eines anderen Teiles der Anordnung nach F i g. 1,

Fig. 10 einen Schnitt in der Ebene 10-10 der Fig. 9 und

Fig. 11 die Anordnung nach Fig. 1 als Teil eines Systems zur Dichtesteuerung.

Ein Abschnitt einer Durchflußleitung 12 ist in F i g. 1 gezeigt. Er hat eine abstehende Hülse 14, in die ein zylindrisches Teil 16 eines im übrigen sechseckigen Sondengehäuses 18 für eine Sonde 10 eingeschraubt ist. Ein verdünntes Ende 20 des Sondengehäuses 18 steht bei 22 in Schraubverbindung mit einer Mutter 24. Diese Mutter 24 hat im Schnitt eine U-förmige Gestalt und weist einen Innenringteil 26 auf, der unter Druck an einem O-förmigen Dichtungsring 28 anliegt. Die Dichtung 28 befindet sich in einem eingesenkten Teil 30 des Endes 20. Die Innenfläche der Dichtung 28 wird bei 32 in Berührung mit einem zylindrischen, strahlungsenergieübertragenden Lichtleitstab 34 gepreßt.

Dieser Lichtleitstab 34 ist vorzugsweise aus einem transparenten Werkstoff, wie etwa Saphir oder hitzebeständigem Glas, hergestellt. Je nach der Temperatur des durch die Leitung 12 fließenden Fluids können auch Lichtleitstäbe aus Quarz, synthetischem Saphir oder Kunststoff auf der Basis von Acrylharz oder Methyl-Methacrylat verwendet werden.

Der Lichtleitstab 34, der durch das verdünnte Ende 20 und den zylindrischen Teil 16 des Gehäuses 18 hindurchgeht, steht darüber hinaus vor und hat einen Abstand zu den Teilen 20 und 16. Im oberen Ende des zylindrischen Teiles 16 des Gehäuses befindet sich eine eingesenkte Fläche 36. Gegen diese eingesenkte Fläche 36 liegt ein zweiter O-Ring 38 an, der durch ein zylindrisches Teil 40 gehalten wird, das seinerseits in seiner Lage mittels Schrauben 42, 44 und 46 festgehalten wird. Der äußere Umfang des Teiles 40 ist lose in die Wandfläche 48 des Hohlraumes im Gehäuse 18 eingepaßt.

Der Druck der Dichtungen 28 und 38 gegen den Lichtleitstab 34 bildet das einzige Mittel, durch das der Lichtleitstab im Gehäuse 18 gehalten ist.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, in der die Lichtquelle für die Sonde eine einzige elektrische Lampe 50 ist. Diese Lampe ragt durch eine Bohrung 52 im Teil 40 und eine Öffnung im Gehäuse 18 mit den Wandteilen 54, 56 und 58. In dem Wandteil 56 hat ein Metallring 60 seinen Sitz, der einstückig mit der Fassung der Lampe 50 verbunden ist und einen Schlitz 62 zum Anbringen des Leiters/64 aufweist.

Ein Lampengehäuse 66 ist mit seinem Gewindeteil 68 in den Teil 58 der öffnung oder Ausnehmung im- Gehäuse eingeschraubt. Eine Dichtung oder Packung 70 bildet eine lüftdichte Verbindung. Eine Isolierscheibe 72 isoliert die elektrischen Leiter gegen die Wand 74 des Gehäuses 66.

Vor der Lampe 50 befindet sich ein im wesentlichen L-förmiger Lichtschirm 76, der das Oberteil und die Seitenteile einer strahlungsempfindlichen Zelle 78 (Fig. 1) umgibt. Um die Zelle78 in festem Oberflächeneingriff mit dem Ende 80 des Lichtleitstabs 34 und der Wandfläche 82 eines im wesentlichen U-förmigen ausgeschlitzten Teiles 84 (Fig3) des Teiles 40 zu halten, sind vier Klemmschrauben 86, 88, 90 und 92 vorgesehen. Jede der Schrauben ist in einen ihr zugeordneten zylindrischen Kanal 94, 96, 98 oder 100 eingesetzt und in die Bohrungen 102, 104 des Teiles 40 eingeschraubt. Ferner ist eine weitere strahlungsempfindliche Zelle 108 mit einem Glasfilter 106 als Bezugszelle vorgesehen. Das Filter 106 läßt zur Bezugszelle 108 Licht mit der gleichen spektralen Verteilung durch, wie es der Detektorzelle 78 über den Lichtleitstab 34 zugeführt wird.

Ein Klemmsockel 110 und Schrauben 112, 114 halten die Zelle 108 und das Filter 106, wobei die Schrauben in Bohrungen 116, 118 (F i g. 2) in einer Wand 120 des Teiles 40 aufgenommen sind. Auf der Oberseite des Klemmsockels 110 sind zwei Anschlußklemmen 122, 124 vorgesehen.

Die Lichtquelle schickt Licht in den Lichtleitstab 34 durch die Endfläche 126 und auch zur Bezugszelle 108 durch das Filter 106. Ein Gewindestift 128, der durch eine Öffnung 130 im Sondengehäuse 18 zugänglich ist, ist in eine Bohrung 132 im Teil 40 (Fig. 5) geschraubt und kann verstellt werden, so daß die Strecke, um die er in den Hohlraum im Teil 40 vorsteht, und damit der Betrag des der Bezugsquelle 108 zugeführten Lichtes verändert werden kann. Die Öffnung 130 hat eine O-Ringdichtung 136 und eine Verschlußkappe 138. Der Stift 128 hat eine Verriegelungsschraube 140 (Fig. 1) in einer Gewindebohrung 142 des Teiles 40. Das Gehäuse 18 hat einen sechseckigen Deckel 144 und eine zugeordnete Ringdichtung 146, die durch Schrauben 148,150, 152, die in Sackbohrungen 154 geschraubt sind, gehalten sind.

Für den Anschluß einer elektrischen Leitung ist ein Gewindenippel 156 vorgesehen, der durch Schrauben 158, 160 am Deckel 144 gehalten ist, der eine Öffnung für den Durchgang elektrischer Leitungen hat.

Die untere Endfläche des Stabes 34, die in die Durchflußleitung 12 hineinragt, hat einen Aluminiumüberzug 162, der darauf im Vakuumverfahren niedergeschlagen ist. Eine Kappe 164, die gegenüber dieser Endfläche einen Abstand hat, bildet eine Schutzabdeckung für den Überzug 162 und kann aus feuerfestem Glas oder synthetischem Saphir hergestellt sein. Das obere Ende dieser Kappe ist bei 166 an den Lichtleitstab 34 angeschmolzen.

Eine andere Ausgestaltung des unteren Endes des Lichtleitstabes 34 ist in F i g. 6 gezeigt. Die Umfangsfläche 170 des Endes des Lichtleitstabes 34 und die Innenfläche des Teiles 168 der Kappe 172 sind beide mit Silberfarbe überzogen. Nach Erhitzen oder Brennen sind die mit Silber bestrichenen Flächen zu einer Einheit geworden, und die Kappe ist an die Führung überall rund um seine Kante etwa bei 174 gelötet. Diese Brenn- und Löttechnik gibt einen guten

Schutz der Spiegelfläche 162 gegen das umgebende Fluid.

Eine weitere mögliche Ausführungsform für das Ende des Lichtleitstabes 34 ist in den F i g. 7 und 8 gezeigt. In dieser Anordnung ist das obere Ende eines teilchenablenkenden, gekrümmte Strömungslinien aufweisenden Schirmes 176 in eine vertikal verlaufende Ausnehmung 178 einer Mutter 180 geschweißt, die an die Stelle der Mutter 24 in Fig. 1 tritt. Das untere Ende des Schirmes 176 ist an eine Endkappe 184 bei 182 angeschweißt. Der Schild hindert etwaige schleifende Teilchen, die in dem Fluid vorhanden sein können, daran, die Außenfläche des Lichtleitstabs 34 zu beschädigen. Ein Schaden an der Außenfläche des die Strahlungsenergie übertragenden Lichtleitstabes könnte sonst die Übertragungscharakteristik dieses Lichtleiters beeinträchtigen oder zerstören. Ein Haltering 186 und eine Ringdichtung 188 gewährleisten eine luftdichte Abdichtung am Ende des Lichtleitstabes 34. Der Haltering wird durch Schrauben 160, die bei 192 in die Kappe 184 geschraubt sind, gehalten.

Obgleich bisher die in F i g. 3 gezeigte Anordnung mit einer einzigen Lampe beschrieben worden ist, beziehen sich die F i g. 1 und 2 tatsächlich nicht auf eine Anordnung mit einer Lampe, sondern auf eine Zwillingslampenanordnung, wie sie in F i g. 4 näher gezeigt ist. Die gesamte Lichtleistung der beiden Lampen 194 und 196 der F i g. 4 kann der der einzigen Lampe 50 nach F i g. 3 gleichgemacht werden. Nunmehr sind zwei Bohrungen 198 und 200 zur Aufnahme der beiden Lampen vorgesehen. Sie haben Kappen 202, 204, die mit Isolatoren 206, 208 und Packungen oder Dichtungen 210, 212 versehen sind. Die Kappen sind bei 214, 216 in Bohrungen geschraubt. Mit den Lampenfassungen einstückig verbundene Ringe 218, 220 haben Schlitze 222, 224, um, wie oben angegeben, die Durchführung von Leitern 226, 228 zu ermöglichen.

F i g. 9 zeigt einen anderen Weg für das Befestigen der Sonde an einer Leitung 12, wobei von einer Schnellkupplung 230 Gebrauch gemacht wird, was den strengen hygienischen Forderungen in der Industrie der Milch- und Nahrungsmittelverarbeitung entgegenkommt.

Das Sondengehäuse 232 ist das gleiche wie das Gehäuse 18, jedoch unter Fortlassung des Gewindeteiles 26. Das Gewindeende des Gehäuses 232 wird von einem Ringteil 234 aufgenommen, der aus nichtrostendem Stahl sein kann. Der Ring 234 hat eine einwärts gerichtete Lippe 236, mit der die O-Ringdichtung 238 gegen den Lichtleitstab 34 der Sonde gedrückt wird.

Die untere Fläche des Ringteiles 234 hat einen Ringkanal 240, der auf einen Kanal 242 in der oberen Fläche der vorstehenden Hülse 244 an der Leitung 12 ausgerichtet ist. Eine Dichtung 246 ist in den durch die beiden Kanäle 240 und 242 gebildeten Raum geklemmt.

Ein Klemmglied 248, das aus nichtrostendem Stahl besteht und durch Federknebel in Schnappwirkung betätigt wird, kann in der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Weise verwendet werden. Dieses Klemmglied besteht aus einem zusammenziehbaren Ring 250 mit einem Spalt, der von einem gekrümmten Flügel 252 überbrückt wird. Ein Knebel in Form eines gegabelten Hebels 254 ist mit einem Ende schwenkbar an den Bügel 252 angeschlossen und an diesem Ende schwenkbar an dem Ring 250 an der Seite des Spaltes angebracht, die dem Ende gegenüberliegt, welches den Bügel 252 trägt. Der Hebel 254 schnappt in die Verriegelungslage gegen die Außenwand des Ringes 250, und die Klemmung kann dadurch gelöst werden, daß der Hebel in Richtung des Pfeiles 256 bewegt wird. Der Ring 250 und der Ringteil 234 sowie die Hülse 244 haben zusammenwirkende abgeschrägte Flächen, so daß der Ring 234 nicht an das Hülsenende herangezogen wird.

Eine Lasche 258 und eine Schraube 260 (F i g. 1) ermöglicht einen Anschluß für die Erdung einer Seite der Lampe oder Lampen. Die F i g. 2 und 5 zeigen Durchgänge 261, 262 für die nicht dargestellten elektrischen Zuleitungen zu den Lampen 194, 196.

F i g. 4 zeigt zwei Klemmen 264, 266 für die Solarzelle 78. Die nicht dargestellten Zuleitungen zu diesen Klemmen führen durch einen Kanal 268 (Fig. 5).

Fig. 11 zeigt zwei an die Solarzellen78, 108 angeschlossenen elektrischen Leiter 268, 270. Die anderen Enden dieser Leiter sind an ein aufzeichnendes Steuergerät 272 angeschlossen.

Das Steuergerät ist zur Abgabe eines elektrischen Ausgangssignals vermittels eines Übertragungsdrahtes 274 an ein elektrisch oder elektropneumatisch betätigtes Steuerventil 276 angeschlossen. Das Signal ist proportional dem Verhältnis der beiden Fotozelleneingangssignale. Wenn das Fluid in der Leitung 12 Rohrzuckerlösung ist, wird bei Auftreten einer Zunahme des Brix-Grades oder der Rohrzuckerkonzentration dafür gesorgt, daß sich das Ventil 276 weiter öffnet, so daß mehr Wasser durch die Leitung 278 in die Leitung 12 fließt. In gleicher Weise verringert das Ventil 276 den Wasserzufluß bei Auftreten einer Abnahme des Brix-Grades oder der Rohrzuckerkonzentration. Auf diese Weise wird die Konzentration des durch die Leitung 12 fließenden Fluids auf einer gewünschten Rohrzuckerkonzentration gehalten.

Im Betrieb der Sonde tritt Licht aus der Lichtquelle in einen halbkreisförmigen Teil der oberen Endfläche des Lichtleitstabs 34 unter verschiedenen ■ Einfallswinkeln.

Das Licht geht im Lichtleitstab nach unten, wird von dessen Seitenwand reflektiert und durch die Spiegelfläche am unteren Ende in Aufwärtsrichtung umgekehrt. Das Licht durchdringt dann den gegenüberliegenden halbkreisförmigen Teil der oberen Fläche des Lichtleiters und fällt auf die Zelle 78. Berücksichtigt man denjenigen Teil des Lichtleitstabes 34, der in die Zuckerlösung eingetaucht ist, wird deutlich, daß ein Teil des auf die Seitenzwischenfläche zwischen dem Werkstoff der Führung und der Zuckerlösung auftreffenden Lichtes austreten wird und nur gebrochen wird, anstatt im Innern reflektiert zu werden, wobei die Menge des austretenden Lichtes von dem kritischen Winkel an der Zwischenfläche abhängt.

Sowie sich die Dichte, der Brix-Grad oder der prozentuale Gewichtsanteil des Rohrzuckers in der Zuckerlösung ändert, ändert sich der Brechungsindex dieser Lösung. Diese Änderung wird ihrerseits sofort dafür sorgen, daß der genannte kritische Winkel, der zwischen der Zuckerlösung und der Führung besteht, in Abhängigkeit davon verkleinert oder vergrößert wird, ob die Zuckerkonzentration gerade dichter oder weniger dicht wird. Je weniger dicht die Zuckerlösung

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wird, um so größer wird die Menge des übertragenen Lichtes sein, das durch die Detektorzelle erfaßt wird, und umgekehrt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Sonde zum Messen der Dichte oder Konzentration eines Fluids nach dem Prinzip der Bestimmung des Strahlungsverlustes, den eine Strahlung erleidet, die einen in das Fluid in reproduzierbarer Weise eintauchbaren, aus die Strahlung nur sehr geringfügig absorbierendem oder streuendem "Werkstoff bestehenden Stab (Lichtleitstab) durchsetzt, d a du rchgekennzeichnet, daß das dem Strahlungseintrittsende des Lichtleitstabes (34) gegenüberliegende Stabende eine etwa senkrecht zur Stablängsachse verlaufende Ebene darstellt, die mit einem reflektierenden Überzug (162) versehen ist.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu einem die nach dem Durchlaufen des Lichtleitstabes (34) verbliebene Strahlungsenergie aufnehmenden Meßdetektor (78) ein zweiter, als Bezugsdetektor wirkender Strahlungsdetektor (108) vorgesehen ist, der so angeordnet ist, daß er unmittelbar von der Strahlungsquelle (194) Strahlungsenergie empfängt.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Detektor (108) mit einem solchen Filter (106) versehen ist, daß er Strahlungsenergie mit der gleichen spektralen Verteilung empfängt, wie sie durch den ersten Detektor (78) aus dem Stab empfangen wird.

4. Sonde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergiequelle (194) aus einer oder mehreren Glühlampen besteht und daß als Strahlungsdetektoren (78, 108) lichtempfindliche elektrische Zellen vorgesehen sind.

5. Sonde nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Detektor (108) in einem Meßgehäuse auf einer der Durchflußleitung (12) und dem näher liegenden Ende des Stabes (34) abgewandten Seite der Lampe(n) (194) angeordnet ist.

6. Sonde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den reflektierenden Überzug (162) tragende Ende des Stabes (34) durch eine transparente Endkappe (164) geschützt ist, wobei zwischen der Innenwand der Kappe (164) und dem Überzug (162) ein abgedichteter Raum vorhanden ist.

7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappe (164) eine das Ende des Stabes (34) umgebende Schürze aufweist, wobei die Innenfläche der Schürze und die Außenfläche des von ihr umgebenen Stabes je mit einem Überzug aus gebrannter Silberfarbe versehen sind, und daß die Endkappe (164) durch Löten der Silberüberzüge auf dem Stab (34) befestigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 476 360;
USA.-Patentschrift Nr. 2 569 127;'
Journal of the Optical Society of America, Bd. 36, 1946, S. 42 bis 46.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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