DE4018844C2

DE4018844C2 - Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE4018844C2
Application number: DE4018844A
Authority: DE
Inventors: Richard S Harner; Charles J Myers
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1989-06-22
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: FR2648918B1; DE4018844A1; CA2019553A1; GB2233786A; US4988155A; JPH0342547A; CA2019553C; GB9013749D0; GB2233786B; FR2648918A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Kontrolle von Flüssigkeiten und insbesondere eine fa seroptische Durchflußmeßvorrichtung, bei der die Genauig keit und Reproduzierbarkeit der optischen Justierung der Fasersonden maximiert ist.

Faseroptische Durchflußsonden werden zur Identifizierung oder zur kontinuierlichen Aufzeichnung der Parameter ei ner Flüssigkeit verwendet, die durch eine Meß- oder Um wegleitung oder direkt durch eine Prozeßleitung fließt. Beispiele für solche Proben findet man in den US-Patenten mit den Nrn. 4,573,761 und 4,707,134. Eine verbesserte Sonde dieser Art ist in dem US-Patent Nr. 4,909,588 mit dem Titel "Sealed Fiber Optic Probe" (Gekapselte faserop tische Sonde), veröffentlicht am 20.3.1990, beschrieben. Diese Hinweise sind nicht wesentlich für das Verständnis oder die Beschreibung der Erfindung von dieser Patentan meldung. Sie sind hier als Information zum Stand der Technik aufgenommen worden.

Zur Kontrolle von Flüssigkeit durch Spektrophotometrie ist es eine übliche Praxis, zwei Fasersonden so anzuord nen, daß ihre Endflächen sich in einem Abstand gegenüber stehen. Flüssigkeit fließt durch den Spalt zwischen ihnen hindurch, während das aus der einen Sonde austretende Licht durch die Flüssigkeit hindurch auf die andere Sonde gerichtet ist. Das empfangene Licht wird durch bekannte spektralphotometrische Verfahren analysiert, um die Flüs sigkeit zu identifizieren oder kontinuierlich ausgewählte Parameter zu kontrollieren. Typischerweise sind die Son den in einem rohrförmigen Körper oder Zelle angeordnet, der einen Flüssigkeitsein- und auslaß aufweist und einen Durchfluß durch den Spalt zwischen den beiden Sondenenden ermöglicht. Eine solche Vorrichtung ist die Durchflußmeß zelle, die von der Firma Guided Wave, Inc. aus Eldorado Hills in Kalifornien gefertigt wird. In dieser Vorrich tung werden Fasersonden in den beiden gegenüberliegenden Enden eines Rohres gehalten und abgedichtet. Eine solche Verschraubung besteht aus einem Klemmring und einer Über wurfmutter, durch deren Zusammenwirken die Fasersonden festgelegt werden. Die Endflächen der Proben stehen sich in einem Abstand gegenüber. Flüssigkeitsein- und auslaß sind in der Rohrwandung angeordnet, so daß Flüssigkeit durch das Rohr und zwischen den Probenenden hindurchflie ßen kann.

Die Stabilität und Genauigkeit der optischen Justierung dieser Sonden in einer solchen Vorrichtung sind mangel haft. Das liegt im wesentlichen an den großen Toleranzen solcher Quetschverschraubungen, an der relativ losen Füh rung der Sonde in der Verschraubung und an den verschie denartigen Materialien der Verschraubung. Diese Ver schraubungen neigen dazu, einen Drehpunkt zu erzeugen, um den die Probe aus ihrer gewünschten Einstellung heraus schwenken kann, wenn sie justiert ist oder wenn sie den Druck- oder Temperaturschwankungen unterworfen wird.

Bei einer solchen Ausführungsform der Sondenhalterung darf bei Verschraubungsgewinden gemäß "National Pipe Thread Standards" (Nationaler Standard für Rohrleitungs gewinde), der zwischen den einzelnen Verschraubungsteilen verbleibende Raum mit Kitt abgedichtet werden. Solche Konstruktionen erlauben eine erhebliche Akkumulierung der Toleranzen, verbunden mit einer entsprechend ungenauen optischen Justierung der betreffenden Sonde. Darüber hinaus erfordern solche Meßsysteme, abhängig von den zu testenden Flüssigkeiten, exotische Halterungs- und Dich tungsmaterialien, die teuer sind und eine lange Vorlauf zeit in der Produktion erfordern.

Überdies erzeugen die unterschiedlichen Ausdehnungskoef fizienten und die Steifigkeit der verschiedenartigen, in demselben System verwendeten Materialien weitere optische Fehljustierungen, wenn das System unter Druck gesetzt wird oder sich die Temperatur ändert. Solche Druck- und Temperaturänderungen erzeugen verschiedenartige Material reaktionen, was zu einer Verspannung des gesamten Meß systems führen kann, verbunden mit einer erheblichen op tischen Fehljustierung.

Das Einhalten eines gewünschten Meßfensterabstandes auch bei Temperatur schwankungen wird mit der Prozeßküvette gemäß EP 0 302 009 A1 bezweckt. Diese Schrift offenbart eine Prozeßküvette mit einem durchflossenen Meß raum, in den zwei bei einer Messung einander mit geringem Abstand gegen überliegenden Fenster, gefaßt in Haltern hineinragen, die Meßsonden. Ei ner der beiden Halter ist verschiebbar in einer Führung im Küvettenge häuse gelagert, wohingegen der andere darin fest installiert und gegen über dem Gehäuse abgedichtet ist. Der verschiebbare Halter weist an sei nem äußeren Umfang umlaufende Nuten auf, in die Dichtringe eingelegt sind. In eine weitere Nut greift eine Schaltgabel ein, die über Pneuma tikzylinder den Halter in zwei Richtungen verschieben kann. Die Pneuma tikzylinder sind außerhalb des Küvettengehäuses angeordnet. Der Meßfen sterabstand wird durch Vorsehen eines Abstandhalters zwischen den Meß fenstern bewirkt.

Eine andere Verstellmöglichkeit zweier Meßsonden zueinander gibt die EP 0 300 965 B1. In dieser Schrift ist eine Prozeßküvette beschrieben, die zwei in Haltern gefaßte, sich in der Mitte eines Meßraumes gegen überliegende Fenster aufweist. Die Halter werden in einem gemeinsamen, das Prozeßküvettengehäuse umgebenden Rahmen gehalten und sind mittels dessen relativ zu dem Gehäuse bewegbar. Die Bewegung oder Verstellung erfolgt durch Drehen von in dem Rahmen angeordneten Schrauben. Um eine Änderung des Fensterabstandes bei Temperaturschwankungen der Meßflüssig keit zu verhindern, bestehen Rahmen und Halter aus Materialien mit im wesentlichen dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Halter sind direkt in einer Durchgangsbohrung des Küvettengehäuses durch in Nuten am äußeren Umfang der Halter vorgesehene Dichtringe gegen die Bohrung abge dichtet.

Eine weitere Durchflußmeßsonde ist in DE 75 36 602 U1 offenbart. Diese weist ein rohrförmiges Mittelteil auf, das beidseitig mit Flanschen ver sehen ist, die ihrerseits auf der vom Mittelteil abgewandten Seite je ein weiteres Rohrteil aufweisen. Die weiteren Rohrteile sind mit Radial bohrungen versehen, die je zwei Hülsen aufnehmen. In den Hülsen sind stabförmige Glaseinsätze vorgesehen, die jeweils eine Umhüllung sowie einen vom Rohrteil wegweisenden Kopfteil aufweisen. Die Umhüllungen ste hen auf einem Absatz in den Radialbohrungen auf und sind dort durch ei nen Dichtring abgedichtet.

Eine weitere Durchfluß-Meßanordnung ist in der DD 159 907 beschrieben. Zwei Lichtleiter in Form von am Ende zueinander gebogenen Glasstäben sind parallel zueinander angeordnet. Der Abstand der sich gegenübersteh nenden Endflächen der Glasstäbe wird mit Hilfe einer Mikrometerschraube eingestellt, die mit den Mänteln, die die Glasstäbe teilweise umgeben, fest verbunden ist. Vermittels eines motorgetriebenen Exzenters wird der eine Glasstab (Sonde) periodisch bewegt, so daß sich der Abstand zwi schen den Endflächen der Glasstäbe ebenso ändert.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß der exakten opti schen Justierung der Sonden in jedem Falle größte Bedeu tung zukommt, sei es daß die Sonden entlang einer gemein samen Achse angeordnet sind, wie bei der bereits erwähn ten Durchflußabsorptionszelle, oder sei es daß die opti schen Achsen der beiden Sonden unter einem vorgegebenen Winkel angeordnet werden, wie es z. B. bei bestimmten Fluoreszenz-, Streu- oder anderen Meßverfahren der Fall ist. Wenn in irgendeinem dieser optischen Meßsysteme die Sonden fehljustiert sind, bewirkt dies eine Verminderung der Systemeffizienz. Überdies werden Änderungen in der Einstellung durch Druck- oder Temperaturschwankungen vom System fälschlicherweise als Flüssigkeits- oder Para meterfluktuationen interpretiert.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, für eine faseropti sche Durchflußmeßvorrichtung eine konstruktive Gestaltung anzugeben mit verbesserter optischer Justierung für jede Sonde, sei es daß diese Sonden koaxial oder anders gear tet justiert sein müssen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung gemäß Pa tentanspruch 1 und ihre Herstellung gemäß Anspruch 8. Zu diesem Zweck enthält eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen faseroptischen Durchflußmeßvorrichtung eine Meßzelle oder Rohrkreuzung, wobei die beiden zusam menwirkenden Sonden auf einer gemeinsamen optischen Achse angebracht sind. Zur Befestigung der Sonden in einer vor gegebenen optischen Einstellung sind entsprechende kon struktive Elemente vorgesehen.

An die Meßzelle oder Rohrkreuzung werden ebene Flächen angearbeitet. Aufnahmebohrungen für die Sonden werden in die Meßzelle relativ zu diesen Bezugsflächen eingebohrt.

Alle anderen Bearbeitungsvorgänge werden abgeleitet oder orientieren sich an dieser Bohrung und ihrer Achse. In die Meßzelle werden von beiden Seiten in die Bohrungen mit Flansche versehene Justierfassungen eingesetzt, die innen und außen O-Ring-Dichtungen aufweisen. Die Justier fassungen werden durch die O-Ring-Dichtungen zentriert. Dann werden Befestigungslöcher gebohrt und Gewinde durch die Flansche der Justierfassungen in die Meßzelle ge schnitten. Auf diese Weise sind die Fassungsachsen rela tiv zur Bohrungsachse zentriert und befestigt.

Eine Fasersonde wird von jeder Seite in die Meßzelle durch die entsprechende Justierfassung eingeführt. Die Sonden werden durch die inneren O-Ring-Dichtungen der Ju stierfassungen zentriert und abgedichtet.

Auf jeder Sonde befindet sich ein Weglängenkontrollele ment. Das Kontrollelement wird in die jeweilige Justier fassung eingeschraubt. Das Weglängenkontrollelement be sitzt am rückwärtigen Ende jeder Probe eine O-Ring-Dich tung, wodurch die Sonden auch an ihrem rückwärtigen Ende zentriert und abgedichtet werden.

Die Sonden sind mit einer Nut für einen Sprengring ver sehen, der von einer Abdeckscheibe des Weglängenkon trollelementes formschlüssig umgeben wird. Durch Drehen des Weglängenkontrollelementes wird die axiale Lage der Sonde verändert und damit auch der Abstand zwischen den beiden sich in der Meßzelle gegenüberstehenden Sondenend flächen. Bei dieser Abstandsveränderung werden in dieser Ausführungsform der Erfindung die Sonden vorzugsweise nicht mitgedreht, denn der Sprengring kann in der Nut der Sonde oder unter der Abdeckscheibe des Weglängenkon trollelementes rutschen.

Die Meßzelle oder die Rohrkreuzung ist mit einem Flüssig keitseinlaß und -auslaß versehen, so daß die zugeführte Flüssigkeit durch die Meßzelle und zwischen den beiden Endflächen der Sonden hindurchfließen kann. Die Meßzelle oder die Rohrkreuzung kann beispielsweise zur Prozeßüber wachung zwischen zwei mit Flanschen versehenen Rohrlei tungsenden als Abstandsstück eingesetzt werden. Alterna tiv kann die Meßzelle auch mit geeigneten Befestigungs elementen und Ventilen zur Flüssigkeitsidentifizierung mit einer Meßleitung oder Umwegleitung verbunden werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß jede Sonde auf ihrer op tischen Achse durch die selbstzentrierenden O-Ringe an mehreren Stellen der Sonde justiert ist. Diese Stellen befinden sich am vorderen Ende in der Justierfassung und am hinteren Ende im Weglängenkontrollelement. Diese kon struktive Gestaltung justiert jede Sonde auf ihrer vorher bestimmten optischen Achse. Die Einstellung bleibt wegen der mehrfachen O-Ring-Lagerung trotz Temperatur- und Druckvariationen erhalten. Auch axiale Anpassungen der Sonden sind ohne Verlust der Justierung möglich.

Wenn erforderlich können weitere Flüssigkeitsein- und auslässe in der Meßzelle oder in der Rohrkreuzung vorge sehen werden für Reinigungs- oder Spülflüssigkeiten oder um einen Zugang zu den Sondenenden zu ermöglichen zum Zwecke der Inspektion, Kalibrierung oder für andere Ar beiten.

Während die beschriebene Ausführungsform der Erfindung sich auf zwei Sonden bezieht, die auf einer gemeinsamen koaxialen optischen Achse exakt zueinander justiert sind, um eine Durchflußmeßvorrichtung zu bilden, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch die genaue Justierung einer einzelnen Sonde auf einer vorgegebenen optischen Achse ermöglicht, ob sie nun zu einer weiteren Sonde ko axial angeordnet ist oder nicht.

Demgemäß schafft die hier beschriebene Vorrichtung eine verbesserte und dauerhaftere Sondeneinstellung, ermög licht eine Änderung der Meßweglänge, sichert die optische Einstellung auch unter Prozeßbedingungen mit Temperatur- und Druckschwankungen und vermeidet die Notwendigkeit exotischer oder teurer Quetschverschraubungen für die Sonden. Diese und andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Be schreibung und durch die beigefügten Zeichnungen der be vorzugten Ausführungsform verdeutlicht:

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die die Einzelteile einer Ausführungsform der erfindungs gemäßen Vorrichtung zeigt.

Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Detailldar stellung mit einem teilweisen Querschnitt der Sonde und der Sondenhalterung von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Meßzelle und der Son denhalterung von Fig. 1 im zusammengebauten Zustand. Ei nige Teile sind aus Gründen der Klarheit fortgelassen.

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in eine Prozeßleitung eingefügt werden kann.

Fig. 5 zeigt eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer Durchflußabsorptionsmeßzelle aus dem Stand der Technik.

Die Figuren werden nun genauer erläutert. Zunächst zu Fig. 5. Sie stellt eine schematische Darstellung einer bekannten Absorptionsdurchflußmeßzelle dar mit den dort verwendeten Befestigungsteilen zum Halten der Fasersonde. Diese Meßzelle besteht aus einem Rohr, in das von jeder Seite eine faseroptische Sonde eingeführt ist. Die End flächen der Sonden stehen sich in einem Abstand gegen über. Flüssigkeitsein- und auslaß sind so mit dem Rohr verbunden, daß die Flüssigkeit durch das Rohr und durch den Zwischenraum zwischen den Sondenenden hindurchfließen kann. Das Licht von einer Sonde durchquert die Flüssig keit und wird von der anderen Sonde zwecks Analyse aufge nommen. Jede Sonde ist in dem Rohr mittels einer Quetsch verschraubung gehalten.

Solch ein System wird z. B. in der Durchflußabsorptions meßzelle der Firma Guided Wave, Inc. aus Eldorado Hills, Kalifornien, verwendet.

Die Sondenhalterung nach dem Stand der Technik wird von der Swagelok Company aus Solon, Ohio, hergestellt und un ter dem Handelsnamen "SWAGELOK" verkauft. Diese Halterung besteht im allgemeinen aus vier Komponenten, nämlich ei nem Grundkörper, einer Vorderzange, einer Hinterzange und einer Überwurfmutter. In Fig. 5 ist der Grundkörper der Halterung in das Meßrohr hineingeschraubt. Natürlich kann der Grundkörper auch eingeschweißt oder auf irgendeine andere Weise in dem Rohr befestigt werden. Danach wird die Sonde in die Halterung eingeführt und die Überwurf mutter angezogen, um die Vorder und Hinterzange zusammen zupressen und dadurch die Sonde wie gezeigt zu halten.

Es wird darauf hingewiesen, daß diese Halterung mit der Sonde im wesentlichen auf einer Umfangsfläche in Kontakt steht, wodurch ein Punkt P im Bereich von Vorder- und Hinterzange festgelegt wird. Aufgrund von Toleranzen zwi schen Sonde und Grundkörper der Halterung kann die an fängliche Probenjustierung zur Achse A, genauso wie die kontinuierliche Aufrechterhaltung der Probenjustierung mit der Achse A nicht garantiert werden. Wenn die Meßröh re mit der SWAGELOK-Halterung Temperatur- und Druckände rungen unterworfen wird, können solche Änderungen das ge samte System verspannen und dejustieren und zum Auswan dern der Sonde längs Achse A-1 und um den Punkt P herum führen. Ein solches Dejustieren ist im höchsten Maße unerwünscht, denn sie wird durch die mit der Sonde ver bundenen Meßgeräte als eine Änderung der Flüssigkeits parameter oder Änderung der Art der Flüssigkeit interpre tiert. Die vorliegende Erfindung mit bevorzugter und al ternativer Ausführungsform, wie sie in Verbindung mit den Fig. 1-4 beschrieben werden wird, liefert Mittel, durch die optische Justierung jeder Probe aufrechterhalten wer den kann.

Es wird betont, daß die hier beschriebene Erfindung ver wendet werden kann, um eine einwandfreie und genaue opti sche Justierung einer faseroptischen Sonde längs einer vorgegebenen optischen Achse zu schaffen. Die Erfindung ist einfach übertragbar auf die Verwendung verschiedenar tiger Sonden, obwohl in der gezeigten Ausführungsform die Erfindung für die Anordnung zweier Sonden auf einer ge meinsamen optischen Achse ausgeführt ist. Natürlich kommt die Verwendung der Erfindung auch für die Halterung von Proben auf einer vorgegebenen optischen Achse in Be tracht, wobei sich die optischen Achsen der speziellen Meßzelle schneiden können, statt koaxial zu sein.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungs form der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt eine fa seroptische Durchflußmeßvorrichtung 10 zur Benutzung in einer Meß- oder Umwegleitung 11 unter Verwendung geeigne ter Ventile.

Die Vorrichtung oder Schnittstelle 10 beinhaltet eine Meßzellen- oder Rohrkreuzung 12 mit einer vorgegebenen optischen Achse 13. Die Meßzelle 12 enthält eine Bohrung 14, die sich von der Seitenfläche 15 zur gegenüberliegen den parallelen Seitenfläche 16 erstreckt. Die Achse der Bohrung 14 ist identisch mit der optischen Achse 13.

Senkrecht zur Bohrung 14 durchquert ein Flüssigkeits durchlaß 20 in Form einer Bohrung die Meßzelle 12. Dieser Flüssigkeitsdurchlaß 20 ist mit Komponenten der Meßlei tung 11 verbunden und beinhaltet gegenüberliegende Über gangsstücke 21, 22, die in die Meßzelle 12 eingeschraubt sind. An den Übergangsstücken 21 und 22 sind die Ventile 23 und 24 befestigt und verbunden mit den Rohrleitungen 25 und 26. Die Rohrleitungen 25 und 26 sind ihrerseits mit Flanschen 27, 28 verbunden und bilden Teile der Meß leitung 11. Wenn die Ventile 23, 24 geöffnet werden, kann die Flüssigkeit in der Meßleitung zur Analyse durch die Einzelteile 21-28 und durch die Meßzelle 12 zwischen den beiden Endflächen der Fasersonden hindurchfließen. Es wird nochmals darauf hingewiesen, daß die Achse 29 der Bohrung 20 in dieser besonderen Ausführungsform der Er findung senkrecht zur optischen Achse 13 orientiert ist.

Es sei erwähnt, daß in dieser besonderen Ausführungsform weitere Übergangsstücke 32, 33 und Ventile 34, 35 längs der Achse 31 vorgesehen sind zur Spülung oder zum ander weitigen Zugang zur Meßzelle. Zur Reinigung der Meßzelle 12 und zur Reinigung der Endflächen der Fasersonden kann Flüssigkeit durch die Ventile 34, 35 und durch die Über gangsstücke 32, 33 hindurchfließen. Alternativ können auch die Übergangsstücke 32, 33 von der Meßzelle 12 ent fernt werden, um einen Zugang zu den Faserendflächen zu ermöglichen zwecks Reinigung, Kalibrierung, Inspektion oder ähnlichem.

Wie oben schon erwähnt, enthält die Vorrichtung 10 kon struktive Elemente zum Halten von zwei Sonden 40, 41 in nerhalb der Meßzelle 12 fluchtend mit der optischen Achse 13. Für jede der beiden Sonden 40, 41 sind geeignete Bau elemente 42 und 43 zum einstellbaren Haltern der Sonde innerhalb der Meßzelle 12, so daß jede der Sonden 40 und 41 zur optischen Achse 13 zentriert ist und so, daß jede Sonde 40 und 41 längs der optischen Achse, ohne die opti sche Justierung zu zerstören, verschoben werden kann.

Fig. 2 zeigt die spezielle Sondenhalterung 42 in vergrö ßerter Form. Die Halteelemente 43 sind ein Duplikat der Halteelemente 42 bei dieser Ausführungsform. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Halteelemente 42 mit der Sonde 40 in zusammengebauter Form.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Halteelemente 42 eine Ju stierfassung 50 mit einem zylindrischen Körper 51 und ei nem radialen Flansch 52, der mittig auf dem zylindrischen Körper angebracht ist. Der zylindrische Körper 51 hat ein vorderes Ende 53 und ein rückwärtiges Ende 54. Der zylin drische Körper enthält eine erste Bohrung 55 und eine rückwärtige Bohrung 56 mit Innengewinde, deren Achsen mit der vorgegebenen optischen Achse 13 der Meßzelle 12 zu sammenfallen. Die Außenfläche des vorderen Endes 53 des zylindrischen Körpers 51 ist mit zwei gegeneinander ver setzten Nuten versehen, die entsprechende O-Ring-Dichtun gen 59 und 60 enthalten. An der Innenfläche der Bohrung 55 sind ebenfalls zwei Nuten mit O-Ring-Dichtungen 63 und 64 angebracht.

Ein zylindrisches optisches Weglängenkontrollelement 70 ist mit einem Außengewinde 71 versehen, das in das Innen gewinde der Bohrung 56 der Justierfassung 50 einge schraubt wird. Eine Drehung des Weglängenkontrollelemen tes bewegt das Element nach rechts oder nach links ab hängig von der Drehrichtung. Das Kontrollelement besitzt eine Bohrung 73, die mit einer Nut für den O-Ring 75 ver sehen ist.

Das Weglängenkontrollelement 70 ist weiterhin mit einem Radialflansch 76 versehen, der eine Eindrehung 77 an sei ner rückwärtigen Fläche enthält zur Aufnahme eines Sprengringes 78. Der Sprengring 78 wird in der Eindrehung 77 gesichert durch eine Abdeckscheibe 79, die an dem Weglängenkontrollelement mittels Schrauben 80 oder ande ren geeigneten Sicherungsmitteln befestigt ist.

Zur Fixierung des Weglängenkontrollelementes in der Justierfassung 50 ist eine Kontermutter 81 vorgesehen, die auf dem Gewinde 71 sitzt und zur Festlegung des Weglängenkontrollelementes gegen das rückwärtige Ende 54 der Justierfassung geschraubt wird.

Die Fasersonde 40 ist durch die Justierfassung 50 und das Weglängenkontrollelement 70 hindurchgeführt. Die Sonde 40 ist mit einer Nut 82 zur Aufnahme des Sprengrings 78 ver sehen. Die Nut 82 oder die Eindrehung 77 sind so groß ausgeführt, daß sie den Ring 78 zwar aufnehmen, aber gleichzeitig diesem Ring eine Drehung relativ zum Wegringkontrollelement 70 oder zur Sonde 40 oder zu bei den ermöglichen. Wird beispielsweise das Weglängenkon trollelement 70 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so bewegt sich das Kontrollelement, wie aus Fig. 3 ersicht lich ist, relativ zur Justierfassung 50 nach rechts. Die se Verschiebung nimmt auch den Sprengring 78 mit sich, wodurch infolge des Formschlusses über die Nut 82 auch die Sonde 40 nach rechts, d. h. relativ zur Meßzelle 12 nach rückwärts bewegt wird. Dadurch wird der Abstand zwi schen den beiden Endflächen der Sonden eingestellt. Dabei bleibt gleichzeitig die Zentrierung der Sonde 40 zur op tischen Achse 13 erhalten durch die im vorderen Teil be findlichen O-Ring-Dichtungen 63 und 64 in der Justierfas sung 50 und durch den O-Ring 75 im Weglängenkontrollele ment 70. Diese O-Ring-Dichtungen erhalten die Zentrierung der Sonde auf der vorgegebenen optischen Achse 13, obwohl die Sonde in Längsrichtung nach rechts oder links durch Verdrehen des Weglängenkontrollelementes verschoben wer den kann, wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist.

Zum Zusammenbau der oben beschriebenen Komponenten wird zunächst die Justierfassung 50 in die Bohrung 14 der Meß zelle 12 eingesetzt. Die Dichtungen 57, 58 zentrieren die Justierfassung 50 innerhalb der Bohrung und auf der vor gegebenen optischen Achse 13. Danach werden in einer be vorzugten Vorgehensweise zur Fixierung der Justierfassung 50 an der Meßzelle 12 Löcher, wie in den Fig. 3 und 4 ge zeigt, in den Flansch 52 gebohrt und die Justierfassung mittels Schrauben 84 an der Meßzelle 12 befestigt. Diese Methode ist besonders effektiv zur Zentrierung der Justierfassung 50 in der Meßzelle 12 relativ zur opti schen Achse 13. Die Bezugsfläche 15 wird bei der Herstel lung der Meßzelle 12 an diese angearbeitet. Anschließend wird die Bohrung 14 längs der vorgegebenen optischen Ach se 13 mit Bezug zur Fläche 15 angebracht. Nachdem die Justierfassung 50 in die Bohrung 14 eingesetzt ist, be wirken die O-Ring-Dichtungen 57 und 58, daß die Achse der Justierfassung mit der vorgegebenen optischen Achse 13 zusammenfällt. Nach erfolgter Zentrierung werden die Lö cher in die Flansche gebohrt, so daß die Schrauben 84 nicht in der Lage sind, die Justierfassung aus der Zen trierung herauszuziehen. Auf diese Weise ist die Justier fassung 50 mittels der Bohrung 14 mit der Meßzelle 12 verrastet.

Die Gewinde 65 und 71 werden in die Justierfassung 50 und das Weglängenkontrollelement 70 mit höchster Präzision eingeschnitten, so daß die Übereinstimmung der Achse der Justierfassung mit der optischen Achse 13 gewährleistet ist. Entsprechend dient die O-Ring-Dichtung 75 zur Zen trierung der Sonde 40 innerhalb des Weglängenkontrollele mentes 70. Mit Bezug auf Fig. 3 ist somit die Sonde an mehreren Stellen längs der Achse 13 durch die Dichtungen 63, 64 und 75 gehaltert. Wie schon erwähnt, ist die Sonde durch diese selbstzentrierenden Dichtungen genau fluch tend mit der optischen Achse 13 gehalten. Als Folge da von resultiert eine Verschiebung der Justierfassung oder des Weglängenkontrollelementes nicht in einer Verschie bung der Sonde 40, so daß deren Achse koaxial zur opti schen Achse 13 justiert bleibt.

Vom rückwärtigen Ende der Sonde 40 gehen Faserbündel ent weder zu einer Lichtquelle oder zu einem Analyseninstru ment bekannter Bauart.

Die Fläche 16 der Meßzelle wird parallel zur Fläche 15 an die Meßzelle angearbeitet. Die Probenhalterung 43 wird in analoger Weise an der anderen Seite der Meßzelle be festigt. Die Justierelemente und die O-Ring-Dichtungen zentrieren und justieren die Justierfassung, das Weglän genkontrollelement und die Sonde 41 längs der optischen Achse 13.

Wie in Fig. 1 gezeigt, stehen sich die Endflächen der Sonden 40 und 41 auf der optischen Achse innerhalb der Meßzelle 12 in einem bestimmten Abstand gegenüber. Bei geöffneten Ventilen 23 und 24 in der Meß- oder Umweglei tung fließt Flüssigkeit durch die Meßzelle hindurch. Von einer der beiden Sonde wird Licht in die Meßzelle einge bracht, durchquert die zwischen den beiden Endflächen hindurchfließende Flüssigkeit und wird von der gegenüber liegenden Sonde aufgenommen und zur Analyse der Flüssig keit weitergeleitet.

Der Abstand zwischen den beiden Endflächen der Sonden 40 und 41, also die Länge der Meßstrecke, kann durch die obenbeschriebenen Weglängenkontrollelemente verändert und einjustiert werden.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Es handelt sich um eine faseroptische Durchflußmeßvor richtung 90, die als Abstandsstück zwischen zwei Flansche einer Rohrleitung eingesetzt ist. In dieser Ausführungs form besteht die Meßzelle aus einem zylindrischen Körper, dessen Außenmaße mit den Umfangsmaßen der Flansche 92 und 93 übereinstimmen, die auf den entsprechenden Flüssig keitsleitungen 94 und 95 sitzen. Diese Ausführungsform kann beispielsweise dort eingesetzt werden, wo es er wünscht ist, die Flüssigkeit innerhalb eines Prozesses oder eines Systems zu überwachen. Dazu wird die Meßzelle als Abstandsstück zwischen die mit Flanschen versehene Endstücke der Rohrleitungen eingesetzt und die Sonden 40a und 41a werden benutzt, um die durch die Leitungen 94 und 95 fließende Flüssigkeit optisch zu überwachen. In Fig. 4 sind Elemente, die mit Elementen aus den Fig. 1-3 über einstimmen, mit derselben Nummer bezeichnet, gefolgt von dem Zusatz "a". Die Sonden 40a, 41a sind in der Meßzelle 91 in derselben Art und Weise gehaltert, wie in den Fig. 1-3 gezeigt. Dazu besitzt die Meßzelle gegenüberliegende Flächen 15a und 16a, an denen die entsprechenden Justier fassungen und Weglängenkontrollelemente 50a befestigt sind.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleibt die optische Justierung der Fasersonden auch unter Prozeßbedingungen mit Druck- und Temperaturschwankungen erhalten, die ande renfalls zu einer Fehljustierung der Sonden führen würde. Die Meßstrecke zwischen den beiden Sondenendflächen kann mit den beschriebenen Weglängenkontrollelementen verän dert werden, ohne daß dabei die Sonden selbst verdreht werden, was anderenfalls zu Fehlanpassungen führen könn te. Diese Verdrehung könnte auch durch eine Längsnut in der Sonde verhindert werden, in die eine Feder von der Justierfassung aus eingreift. Eine solche Verdrehsiche rung ist jedoch nicht erforderlich für die obenbeschrie bene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Die Weglängenkontrollelemente können zur Kalibrierung der Meßstrecke zwischen den Sondenendflächen verwendet wer den. Dazu werden einfach die Sonden in die Meßzelle hineingedreht, bis sich ihre Endflächen berühren. Dann werden die Sonden durch umgekehrtes Drehen der Weglängen kontrollelemente wieder voneinander getrennt, während die Anzahl der Drehungen gezählt wird, um ein Maß für den Ab stand zwischen den beiden Proben zu erhalten. Natürlich ermöglichen auch die abnehmbaren Übergangsstücke 32 und 33 einen Zugang zu dem inneren Bereich der Meßzelle 12 und ermöglichen damit eine angemessene Kalibrierung der Meßstrecke.

Somit liefert die Erfindung eine faseroptische Durchfluß meßvorrichtung, bei der der einzige kritische Bearbei tungsschritt die Anfertigung der die optische Achse fest legenden Bohrung ist. Die Gewinde, die Nuten für die O- Ring-Dichtungen und die Nut für den Sprengring werden auf Standarddrehbänken mit hoher Präzision angefertigt. Die dreifache Lagerung mittels O-Ring-Dichtringen zwingt die Sonde auf die optische Achse und minimiert ein Auswandern der Achse, während die abnehmbaren Übergangsstücke 32 und 33 eine Optimierung und Nachkalibrierung ermöglichen und somit die Langzeitwartung des Systems verbessern.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung

11

Meßleitung

12

Meßzelle, Rohrkreuzung

13

Optische Achse

14

Bohrung

15

,

16

,

15

a,

16

a Bearbeitungsfläche

20

Durchflußbohrung

21

,

22

Übergangsstück

23

,

24

Ventil

25

,

26

Rohrleitung

27

,

28

Flansch

29

Achse

32

,

33

Übergangsstück

34

,

35

Ventil

40

,

41

,

40

a,

41

a Sonde, faseroptische Sonde

42

,

43

justierbare Halterung

50

,

50

a Justierfassung

51

zylindrische Körper

52

radialer Flansch

53

vorderes Ende von

51

54

hinteres Ende von

51

55

Durchgangsbohrung

56

Bohrung mit Innengewinde

57

,

58

Dichtungen, im Text beschrieben, aber nicht in der Zeichnung vorhanden

59

,

60

O-Ring-Dichtung

63

,

64

O-Ring-Dichtung

70

axiale Verstelleinheit

71

Außengewinde

73

Durchgangsbohrung

75

O-Ring-Dichtung

76

radialer Flansch

77

Eindrehung, Einsenkung

78

Sicherungsring, Sprengring

79

Abdeckscheibe für Justieraufnahme

Claims

1. Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung (10) mit Meßzelle (12) und faseroptischer Sonde (40), wobei

1. die Meßzelle (12) eine Bohrung (14) aufweist, die eine optische Achse (13) festlegt,
2. in der Bohrung (14) eine Justierfassung (50) für die Sonde (40) zentriert angeordnet ist,
3. sich in der Justierfassung (50) eine axiale Verstelleinheit (70) für die Sonde (40) befindet und
4. die faseroptische Sonde (40) in der Justierfassung (50) und in der axialen Verstelleinheit (70) an mehreren Punkten längs der Sonde abgedichtet und fluchtend zur optischen Achse (13) gehalten ist, wobei die Sonde (40) direkt gegen die axiale Verstelleinheit (70) abgedichtet ist.

2. Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung (10) gemäß An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. eine erste O-Ring-Dichtung (59, 60) zwischen Meßzelle (12) und Justierfassung (50) die Justierfassung (50) zur Bohrung (14) und damit zur optischen Achse (13) zentriert,
2. eine zweite O-Ring-Dichtung (63, 64) zwischen der fa seroptischen Sonde (40) und der Justierfassung (50) an geordnet ist und
3. eine dritte O-Ring-Dichtung (75) zwischen faseropti scher Sonde (40) und axialer Verstelleinheit (70) vor gesehen ist

zur Ausrichtung der faseroptischen Sonde (40) auf der op tischen Achse (13).

3. Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung (10) gemäß An spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (12) eine erste und eine zweite Durch flußbohrung (20) enthält, die sich untereinander und mit der Bohrung (14) in einem gemeinsamen Punkt kreuzen.

4. Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Meßzelle (12) zwei Bearbeitungsflächen (15) und (16) aufweist,
2. die Bohrung (14) sich längs der optischen Achse (13) durch die Meßzelle (12) von der einen Fläche (15) zur anderen Fläche (16) erstreckt,
3. Justierfassungen (50) von beiden Seiten in die Bohrung (14) eingesetzt sind,
4. faseroptische Sonden (40) und (41) durch die Justier fassungen (50) hindurchgeführt sind,
5. jede Justierfassung (50) eine eingebaute axiale Ver stelleinheit (70) aufweist, die mit den Sonden (40) und (41) zur Verstellung der Sonden längs der optischen Achse (13) verbunden sind,
6. jeweils ein Paar O-Ring-Dichtungen (63) und (64) zur Abdichtung zwischen den Sonden (40) und (41) und den entsprechenden Justierfassungen (50) vorhanden sind und
7. jeweils eine O-Ring-Dichtung (75) zur Abdichtung zwi schen den Sonden (40, 41) und den zugehörigen axialen Verstelleinheiten (70) angebracht ist.

5. Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Justierfassung (50) enthält

1. einen zylindrischen Körper, dessen Außendurchmesser ge ringfügig kleiner als der Durchmesser von Bohrung (14) ist,
2. einen radialen Flansch zur Befestigung an einer der Flächen (15) oder (16) der Meßzelle (12) und
3. O-Ring-Dichtungen zwischen Justierfassung (50) und Boh rung (14) der Meßzelle (12) zur Ausrichtung der Fassung (50) längs der optischen Achse (13).

6. Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung (10) gemäß An spruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptischen Sonden (40, 41) auf ihrem äußeren Umfang eine Nut (82) zur Aufnahme eines Sprengringes (78) aufweisen und daß die axiale Verstelleinheit (70) durch eine Eindrehung (77) und Abdeckscheibe (79) den Spreng ring (78) erfaßt, wodurch bei Verdrehung der Verstellein heit (70) in dem Gewinde (56) der Justierfassung (50) die Sonden (40, 41) längs der optischen Achse (13) bewegt wer den.

7. Faseroptische Durchflußmeßvorrichtung (10) gemäß An spruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (12) eine erste und eine zweite Durch flußbohrung (20) enthält, die sich untereinander und mit der Bohrung (14) in einem gemeinsamen Punkt zwischen den Endflächen der faseroptischen Sonden kreuzen.

8. Ein Verfahren zur Herstellung der faseroptischen Durchflußmeßvorrichtung (10), gekennzeichnet durch die Schritte:

1. Erzeugen einer ebenen Fläche (15) an einer Meßzelle (12);
2. Herstellen einer Bohrung (14) durch die Meßzelle (12) ausgehend von Fläche (15), wobei die Bohrung eine opti sche Achse (13) definiert;
3. Einsetzen einer Justierfassung (50) mit O-Ring-Dichtun gen (59, 60) in die Bohrung (14), wobei die Dichtungen (50, 60) die Justierfassung (50) zur optischen Achse (13) zentrieren;
4. Einsetzen der faseroptischen Sonde (40) in die Justier fassung (50);
5. Abdichten und Ausrichten der faseroptischen Sonde (40) in der Justierfassung (50) zur optischen Achse (13) durch eine zweite O-Ring-Dichtung (63, 64) zwischen Son de und Justierfassung (50) und
6. Sichern der Sonde (40) in einer axialen Verstelleinheit (70), die verstellbar in der Justierfassung (50) sitzt und Abdichten und Zentrieren der Sonde (40) in der axialen Verstelleinheit (70) durch eine dritte O-Ring- Dichtung zwischen der Sonde (40) und der Verstellein heit (70).