DE29703860U1 - Anordnung zur Durchlicht-Refraktionsbestimmung - Google Patents

Description

I U0860 Patentanwaltsbiiro Pfeiffer & Partner, Helmholtzweg 4, 07743 Jena

Anordnung zur Dqrchlicht-Refraktionsbestimmung
Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchlicht-Refraktionsbestimmung an Flüssigkeiten und Gasen gemäß der Gattung der Patentansprüche, Sie ist insbesondere zur Refraktionsbestimmung von strömenden Medien geeignet.

&iacgr;&ogr; Bekannt ist ein Refraktometer mit einer Durchflußküvette und einem auswechselbaren Küvettenfenster (DE 42 23 840 C2). Eines der Küvettenfenster, vorzugsweise das auswechselbare, ist mit mindestens zwei unterschiedlich zum kollimierten Meßstrahlengang geneigten Bereichen versehen, um DeJustierungen in der Küvettenausrichtung zu kompensieren. Nachteilig wirken sich bei diesem Refraktometer die geringen Zu- und Abflußmöglichkeiten, die relativ großen toten Räume in den Küvetten und die im wesentlichen unveränderliche Küvettenlänge aus. Ersteres hat zur Folge, daß mit dem Refraktometer nur ein Bruchteil des Querschnitts eines strömenden Mediums erfaßt werden kann und deshalb die Messung unvollkommen ist. Die toten Räume erschweren das Spülen und Säubern der Küvette. Die unveränderliche Küvettenlänge macht bei in ihrer Transparenz häufig wechselnden Testmedien die Anschaffung und unbequeme Wechslung der unterschiedlichen Meßküvetten notwendig.

Außerdem ist eine Meßzelle zur Spektralanalyse von strömenden Medien bekannt (DE 38 38 371 Al), mit der allerdings keine Refraktionsbestimmungen durchführbar sind, weil der Meßraum über den gesamten Querschnitt dieselbe Länge hat.
Ferner sind Refraktometer bekannt, die nach dem Prinzip der Totakeflxion arbeiten und seitlich an Kessel oder Rohrleitungen angebracht werden können, siehe Firmendruckschrift der Fa. K-Patents, Process Refractometer PR-Ol-S, FI. Bei diesen Refraktometern können sich auf den optischen Flächen Beläge ausbilden, die sich auf das Meßergebnis störend auswirken, weshalb sie durch zusätzliche Maßnahmen beseitigt werden müssen.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Durchlicht-Refraktionsbestimmung von Flüssigkeiten und Gasen zu schaffen, die bei der Messung den gesamten Strömungsquerschnitt erfaßt, der von Licht durchstrahlbar ist, den Einfluß von Ausfällungen auf den Fensterflächen auf das Meßergebnis weitestgehend vermeidet, eine schnelle Spülung und Säuberung der Meßkammer ermöglicht sowie eine einfache und schnelle Anpassung der Meßkammer an die Viskosität und Transparenz des zu untersuchenden Mediums gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Dabei kann der rohrförmige Baufeil einen beliebigen, von einem Kreis abweichenden Querschnitt haben. Vorteilhaft ist hinsichtlich ihrer optischen Wirkung eines der Fenster als planparallele Platte und das andere als Prisma ausgebildet. Das Prisma kann ein mit einer Vergleichsflüssigkeit befuUbares Hohlprisma sein, wodurch auf eine Temperaturkompensation eines Meßwertes weitestgehend verzichtet werden kann. Auch kann das Prisma vollständig aus Glas oder einem anderen optisch transparenten Medium bestehen und ohne oder mit Dachkante ausgebildet sein. Insbesondere wenn die zu messenden Medien stark viskos sind, empfiehlt es sich, anstatt einer Flüssigkeitsküvette ein Glasprisma zu verwenden. Ein Doppelprisma (Prisma mit Dachkante) kommt bei Absorptionszunahme des zu messenden Mediums und damit bei möglicher Reduktion der optischen Weglänge zur Erreichung einer gleich großen Meßempfindlichkeit vorteilhaft zum Einsatz. Außerdem wird dadurch die Möglichkeit der Differenzmessung gegeben, was zur Beseitigung von Stabilitätseinflüssen der Anordnung beiträgt. Die Variation des Abstandes zwischen den Fenstern der Anordnung, die der unterschiedlichen Transparenz bzw. Viskosität der Medien Rechnung trägt, kann in unterschiedlichen Stufen oder kontinuierlich erfolgen. 3h behebigen Stufen ist dies möglich, wenn einem Fenster oder beiden Fenstern eine entsprechende Dicke gegeben wird. Zur Variation des Fensterabstandes wird mindestens ein Fenster gegen ein anderes ausgetauscht. Auch können die vorzugsweise aus Quarzglas bestehenden Fenster aus zwei oder mehreren durch Difxusionsschweißung miteinander verbundenen

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Blöcken gleichen Glases bestehen. Der jeweils äußere Block jedes Fensters am Meßkammerteil hat aus technologischen Gründen einen größeren Durchmesser als der innere. Er bildet dem zufolge einen Flansch oder eine Schulter, der/die sich gegen einen Anschlag oder Flansch am Meßkammerteil legt und zusammen mit einen Dichtungsring eine ausreichende Dichtheit des Meßkammerteils gewährleistet. Eine andere Möglichkeit der stufenweisen oder kontinuierlichen Variation des Fensterabstandes, die insbesondere bei geringen Abständen der Innenflächen der Fenster voneinander zur Anwendung kommt, ist dadurch

&iacgr;&ogr; gegeben, daß ein oder beide Fenster in rohrförmigen Fassungen gelagert sind, die in die Fensteröflhungen des Meßkammerteils mehr oder weniger tief eingeführt oder eingeschraubt werden. Mit und/oder in diesen Fassungen sind die Fenster parallel zum Meßstrahlengang verstellbar.
Besonders angepaßt an die Refraktionsbestimmung an strömenden Medien ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch, daß der Meßkammerteil ein Ausschnitt aus einem Durchflußrohr für die Medien ist, das an seiner Wandung mit gegenüberhegenden Stutzen für Flansche versehen ist, an denen die Fenster direkt oder indirekt befestigt sind. Vorteilhaft ist dabei der Meßkammerteil eine kugel- oder zyHnderförmige Erweiterung im Durchflußrohr. Auf diese Weise wird das das Rohrsystem durchfließende Medium durch die Refraktometereinbauten wenig behindert. Von Vorteil ist es auch, wenn Beleuchtungs- und Empfangsteil ebenfalls rohrförmig ausgebildet und über eigene Flansche mit den Flanschen des Meßkammerteils verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung von sechs Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Anordnung an einem

Durchflußrohr, teilweise im Längsschnitt, teilweise in Ansicht, Fig. 2 die erfindungswesentlichen Teile eines zweiten

Ausführungsbeispiels, teilweise im Schnitt, teilweise in

Ansicht,

Fig. 3 die wesentlichen Teile eines dritten Ausfjührungsbeispiels,

teilweise im Schnitt, teilweise in Ansicht,

Fig. 4 die wesentlichen Teile eines vierten Ausführungsbeispiels in

Ansicht,

Fig. 5 die wesentlichen Teile eines fünften Ausfuhrungsbeispiels in

einem Längsschnitt und
Fig. 6 die wesentlichen Teile eines sechsten Ausfuhrungsbeispiels in

einem Längsschnitt.

In Fig. 1 ist in einem Durchflußrohr 1 für ein flüssiges Meßmedium 30 eine kugelförmige Erweiterung 2 mit einer Wandung 62 vorgesehen, die an diametral gegenüberliegenden Seiten Stützen 3, 4 für Öffnungen 5, 6 aufweisen, welche bezüglich der Öflhungen 5, 6 in nach außen

&iacgr;&ogr; gerichteten ringförmigen Flanschen 7, 8 und nach innen gerichteten ringförmigen Flanschen 9, 10 enden. Die Flansche 7, 9 des Stutzens 3 befinden sich in einer Ebene, die parallel zu einer von den Flanschen 8,10 am Stutzen 4 bestimmten Ebene und rechtwinklig zur Zeichenebene der Fig. 1 gerichtet ist. Dem nach außen gerichteten Flansch 7 entspricht ein Flansch 11, der an einem bspw. zylindrischen Gehäuse 12 vorgesehen ist, in dem sich eine Lichtquelle 13, ein Spalt 36 und eine kollimierende Optik 14 befinden und das als Beleuchtungsteil mit einer Stomzuleitung 15 bezeichnet wird. Ist die Lichtquelle 13 ein parallelstrahliges Licht aussendender Laser, kann die kollimierende Optik 14 entfallen.

Zumindest zur Beleuchtung können auch Lichtleitkabel Verwendung finden. Mit Hufe von Schrauben, bspw. Inbusschrauben, 16 sind die Flansche 11 und 7 und damit das Gehäuse 12 und das Durchflußrohr 1 miteinander verschraubt. Mit dem nach außen gerichteten Flansch 8 korrespondiert ein Flansch 17, der Teil eines als Empfangsteil bezeichneten Gehäuses 18 ist, in dem sich eine sammehide Optik 19, ein Spalt 57 und ein positionsempfindlicher Empfanger, bspw. eine Zeile, 20 befinden, wobei der Empfänger 20 über ein Kabel 21 mit einem nicht dargestellten Auswertegerät, bspw. ein Mikroprozessor, verbunden ist. Der Verbindung des Empfangsteils 18 und des Durchflußrohres 1 über die Flansche 17 und 8 dienen Schrauben 22.

Gegen den nach innen gerichteten Ringflansch 9 wird mit Hilfe eines Druckmittels 23, bspw. eines Schraubringes, der mit einem an der Innenwand des Gehäuses 12 vorgesehenen, nicht dargestellten Gewinde kämmt, ein zu einem Tubus 24 gehörender Flansch 25 gepreßt, wobei zwischen den Flanschen 9 und 25 ein Dichtungsring 26 vorgesehen ist. In dem Teil des Tubus 24, der in die Erweiterung 2 hineinragt, ist ein aus

zwei Teilen 27, 28 bestehendes Eintrittsfenster so befestigt, daß aus dem Durchflußrohr 1 kein Meßmedium 30 in das Innere des Tubus 24 gelangen kann. Dem nach innen gerichteten Flansch 10 entspricht ein an einem Tubus 29 befindlicher Flansch 31, der mit Hilfe eines Druckmittels 32 gegen den Flansch 10 gepreßt wird, wobei sich zwischen den Flanschen 10 und 31 wieder ein Dichtungsring 33 zum hermetischen Abdichten des Tubus 29 gegen das Durchflußrohr 1 befindet. Am dem Flansch 31 entgegengesetzten Ende ist am Tubus 29 ein Fenster 34 mit einem Hohlprisma (Keilküvette) 35 versehen, das über nicht dargestellte

&iacgr;&ogr; Mittel full- bzw. entleerbar ist, wobei als Füllmittel ein Referenzmedium dient, das in Abhängigkeit vom Meßmedium flüssig oder gasförmig ist. Die Keilküvette 35 ragt ebenso wie das Eintrittsfenster 27, 28 in den Flüssigkeitsstrom 30 des Durchflußrohres 1 hinein und bildet mit diesem einen prismatischen Raum 54. Zwischen den Optiken 14 und 19 besteht ein paralleler optischer Strahlengang. Der der Lichtquelle 13 nachgeordnete optisch wirksame Spalt 36 befindet sich in der vorderen Brennebene der Optik 14; der dem Empfänger 20 vorgeordnete optisch wirksame Spalt 57 ist in der hinteren Brennebene der Optik 19 angeordnet. Infolge des parallelen Strahlenganges zwischen den Optiken 14 und 19 wirken sich Bläschen im Medium 30 und vor allen Dingen vom Meßmedium 30 herrührende Verunreinigungen der Fenster ebenso wenig auf die Messung aus, wie Parallelversetzungen der Tuben 24 und 29 gegeneinander und zur optischen Achse 0-0 des Optiksystems 14,19.
Bei der Refraktionsmessung wird das parallelstrahlige Lichtbündel durch das Medium 30 entsprechend seiner Refraktion und damit auch das auf dem Empfänger 20 erscheinende Bild des Spaltes 57 abgelenkt. Diese Ablenkung wird im Auswertegerät ausgewertet und ein evtl. mit Korrekturen versehener Refraktionswert bestimmt. Infolge der Verwendung eines Hohlprismas mit Referenzmedium ist die vorgenommene Messung im wesentlichen temperaturunabhängig.

In Fig. 1 wird ein strömendes Meßmedium 30 mit flüssiger oder gasförmiger Konsistenz vorausgesetzt. Es kann sich prinzipiell auch um ein ruhendes Meßmedium handeln. Entsprechend der Viskosität und Transparenz des zu untersuchenden Mediums 30 ist der Abstand des Hohlprismas 35 vom Fenster 28 zu verringern oder zu vergrößern, wobei Durchlaß zwischen beiden sich nicht in der Mitte der Erweiterung 2

befinden muß. Zur Veränderung des Abstandes kann zumindest eine der Tuben 24, 29 parallel zur optischen Achse 0-0 verschoben oder gegen eine andere ausgetauscht werden, oder die Fenstereinheiten 27, 28; 34, 35 sind in den Tuben 24, 29 bei deren geänderter konstruktiver Ausgestaltung parallel zur optischen Achse 0-0 verschiebbar.

In den Figuren 2 bis 6 sind verschiedene Ausfuhrungsformen der wesentlichen Bauteile eines Meßkammerteils unter der Voraussetzung dargestellt, daß die Tuben oder Träger der Fenster austauschbar &iacgr;&ogr; angeordnet sind, um ein Refraktometer an die jeweils zu lösende Meßaufgabe anzupassen. Dabei sind der benötigte Meßbereich, die erforderliche Meßempfindlichkeit und die Beschaffenheit des Meßmediums die bestimmenden, teilweise einander widersprechenden Einflußfaktoren.

In Fig. 2 sind zwischen zwei Fenstern 37, 38 mit Dichtungsflächen 59, 60 ein Block aus einem optisch transparenten Medium, vorzugsweise Quarzglas, 40 und eine gegenüber Fig. 1 veränderte Form eines Hohlprismas 39 angeordnet, durch die der wirksame Abstand zwischen den Fenstern 37, 38 und damit die Schichtdicke eines zwischen dem Glasblock 40 und dem ihm zugewandten Schrägfenster 41 des Hohlprismas 39 mit einem Referenzmedium 42 verringert wird. Dabei ist es unerheblich, daß das Fenster 38 Teil des Hohlprismas 39 ist. Zwischen den Dichtungsflächen 59 und 60 einerseits und Wandungsteilen 62 (nur zur Dichtungsfläche 59 dargestellt) befinden sich Dichtungsringe 61. Durch die angegebene Schrägstellung des Schrägfensters 41 ist zwar eine verhältnismäßig geringere Meßempfindlichkeit, aber ein größerer Meßbereich gegeben. Ein Anschlußstück dient dem Füllen und Leeren des Hohlprismas 39.

In Fig. 3 sind die axiale Dicke des Glasblocks 40 auf dem Fenster 37 und die Neigung des Schrägfensters 41 des Hohlprismas 39 am Fenster 38 gegenüber Fig. 2 vergrößert worden. Auf diese Weise ergibt sich eine höhere Meßempfindlichkeit des Refraktometers. Dabei hat sich auch die Keillinie der Keilküvette 39 dem Glasblock 40 genähert.

Fig. 4 unterscheidet sich von den voranstehenden Figuren dadurch, daß keine hohle Keilküvette mit Referenzmedium, sondern ein Vollglas-Prisma 45 Verwendung findet, das mit dem Fenster 38 diffusionsverschweißt ist. Am Fenster 37 ist wieder ein Glasblock 40 mit nochmals vergrößerter optischer Dicke durch Difiusionsschweißung befestigt.

Da die Abstände der Flansche 7 und 8 voneinander durch die Erweiterung 2 vorgegeben und an derselben Anordnung nicht veränderbar sind,

&iacgr;&ogr; müssen zur Anpassung der Fensterabstände an die Meßmedien geringer Lichtdurchlässigkeit die Fenster 37, 38 im Bedarfsfall sehr nahe zueinander gebracht werden. Hierfür ist eine technologisch und preislich günstige Lösung in Fig. 5 dargestellt, in der zwei einerseits mit Fenstern 58, 46 und andererseits mit Flanschen 47, 48 versehene Hohlzylinder (rohrförmige Fassungen) 49, 50 dargestellt sind. Die Fenster 58, 46 sind gefaßt von den einander zugekehrten, nicht mit den Flanschen 47, 48 versehenen Enden der Hohlzylinder 49, 50. Dabei ist in Richtung des durch Pfeile 51 angedeuteten Meßstrahlenganges dem Fenster 58 ein Glasblock 52 nachgeordnet und dem Fenster 46 ein Prisma 53 vorgeschaltet. Der Glasblock 52 und das Prisma 53 bilden den prismatischen Raum in Form eines Spalt 54, durch den ein Meßmedium 55 fließt. Die Breite des prismatischen Raumes 54 ist dem Meßmedium 55 angepaßt. Die Flansche 47, 48, mit denen die Hohlzylinder 49, 50 im Meßkammerteü 2 fixierbar sind, entsprechen den Flanschen 25 und 31 in Fig. 1.

In Fig. 6 sind wieder die Fenster 45, 46 und der Glasblock 52 sowie ein Doppelprisma 56 entsprechend miteinander verbunden und in den Hohlzylindern (Tuben) 49, 50 angeordnet. Das Doppelprisma 56 bewirkt eine Verdoppelung der Meßempfindlichkeit und könnte auch durch eine entsprechend gestaltete Küvette ersetzt werden. Infolge der mit dem Doppelprisma möglichen Differenzmessung werden außerdem mechanische Instabilitäten kompensiert.

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AlIe in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in behebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

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Bezusszeichenliste	Durcüflußrohr
1	Erweiterung
2	Stutzen
3,4	Öffnungen
5,6
7,8,9,10,11,17,25,	Flansche
31,47,48	Gehäuse
12,18,	Lichtquelle
13	koilimierende Optik
14	Stromzuleitung
15	Schrauben
16,22	sammelnde Optik
19	Empfänger
20	Kabel
21	Druckmittel
23,32	Tuben
24,29	Dichtungsringe
26,33,61	Eintrittsfenster
27,28	Meßmedien
30,44, 55	Fenster
34, 37, 38, 46, 5S	Hohlprisma
35	Spalte
36, 57 -.	Keilkiivette
39	Glasblöcke
40,52	Schrägfenster
41	Referenzmedium
42	AnschJußstück
43	Vollglas-Prisma
45	Hohlzylinder
49,50	Pfeile
51	Prisma
53	prismatischer Raum
54	Doppelprisma
56	Dichtungsflächen
59,60	Wandung (des Meßkammerteils)
62	optische Achse
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Claims (13)

-10-Schutzansprüche

1. Anordnung zur DurcMcht-RefraMonsbestimmung an Meßmedien, die in Richtung des Meßstrahlenganges nacheinander aus einem Beleuchtungsteil, einem Meßkammerteil und einem Empfangsteil besteht, welche miteinander verbunden sind und von denen der Meßkammerteil ein Eintrittsfenster, und ein. Austrittsfenster tür den Meßstrahlengang gegenüberhegend aufweist und quer zum

&iacgr;&ogr; Meßstrahlengang befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der

Meßkammerteil ein rohrförmiges Bauteil ist, das in seiner Wandung gegenüberliegend das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster aufweist, die einen prismatischen Raum für ein Meßmedium miteinander bilden, und daß die Länge des prismatischen Raumes in Richtung des Meßstrahlenganges veränderbar ist.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Fenster als planparallele Platte und das andere als Prisma ausgebildet ist.

3. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma eine Dachkante aufweist.

4. Anordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma hohl und befüllbar ausgebildet ist.

5. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Fenster hinsichtlich seiner Dicke variierbar ist.

6. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Fenster aus zwei in Richtung des Meßstrahlenganges nacheinander angeordneten planparallelen Blöcken gleichen transparenten Materials besteht.

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7. Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke aus Quarzglas bestehen und durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden sind.

8. Anordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bezüglich des Meßkammerteils äußere Block eine ringförmige Dichtungsfläche aufweist.

9. Anordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen &iacgr;&ogr; der Dichtungsfläche und einem zugehörigen Teil der Wandung des

Meßkammerteils ein Dichtungsring vorgesehen ist.

10. Anordnung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Fenster in einer tubusartigen Fassung angeordnet ist, die im Meßkammerteil parallel zum Meßstrahlengang einfuhrbar und verstellbar angeordnet ist.

11. Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster in der Fassung parallel zum Meßstrahlengang verstellbar gelagert ist.

12. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Bauteil an seiner Wandung mit gegenüberliegenden Stutzen für Flansche versehen ist, mit denen cfre Fenster verbunden sind.

12. Anordnung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkammerteil von einer kugelförmigen oder zylindrischen Erweiterung im Durchflußrohr im wesentlichen umfaßt wird.

13. Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsteil und der Empfangsteü rohrförmig ausgebildet und an den Meßkammerteü angeflanscht sind.