EP2707694A1 - Einweg-sensorkopf und einwegbehälter - Google Patents

Einweg-sensorkopf und einwegbehälter

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Publication number
EP2707694A1
EP2707694A1 EP12719599.8A EP12719599A EP2707694A1 EP 2707694 A1 EP2707694 A1 EP 2707694A1 EP 12719599 A EP12719599 A EP 12719599A EP 2707694 A1 EP2707694 A1 EP 2707694A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor head
disposable
container
wall
viewing window
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12719599.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Riechers
Christian Grimm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sartorius Stedim Biotech GmbH
Original Assignee
Sartorius Stedim Biotech GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Sartorius Stedim Biotech GmbH filed Critical Sartorius Stedim Biotech GmbH
Publication of EP2707694A1 publication Critical patent/EP2707694A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D25/00—Details of other kinds or types of rigid or semi-rigid containers
    • B65D25/54—Inspection openings or windows
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
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    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample
    • G01N2021/8514—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample with immersed mirror

Definitions

  • the flow chamber has at least two lateral, arranged between the lens and the reflector disc openings.
  • the openings are chosen as large as possible.
  • they occupy the predominant wall part of the through-channel between the viewing window and the reflector disk and are separated from each other only by narrow webs.
  • the central body on the side facing away from the reflector disc of the lens has a coupling device for the reversible coupling of an optoelectronic sensor module.
  • An optoelectronic sensor module is here understood to mean a structural unit which has a light source, a detector unit and suitable light-conducting elements.
  • the light-guiding elements may be fiber-optic, but preferably of a beam-optical nature.
  • fiber-optic light-conducting elements can have problems with regard to transparency, Dispersion, aperture, loss of fiber bends, etc. raise.
  • the optoelectronic sensor module therefore preferably comprises an NIR light source, a purely or at least predominantly beam-optical illumination beam path comprising mirrors and optionally lenses, a likewise purely or at least predominantly radiolucent detection beam path, and an NIR detector, in particular an NIR spectrometer whose spectrometer input is definitely fiber-optic elements may contain. Due to the optical radiation supply and discharge of light, a positionally stable coupling between the sensor head and the optoelectronic sensor module is required. This requirement is met by said development of the invention due to the direct coupling with the central body. Corresponding coupling standards are known to the person skilled in the art, for example from microscopy.
  • the central body does not necessarily have to be constructed in one piece. Rather, it is quite possible and often advantageous if the central body is constructed in several parts and has a main body and at least one other central body component. This can for example be realized so that the lens is sealingly supported between the main body and an end face of a clamping ring.
  • the clamping ring can be fixed, for example, as a threaded ring, like a snap ring, by a latching or in a similar manner to the main body. Its object is to press the lens against a preferably provided with a seal projection of the passage channel to hold them on the one hand and on the other hand to seal.
  • the clamping ring on its side facing away from the lens end face
  • Coupling device for reversible coupling of the optoelectronic sensor module has.
  • the clamping ring is thus assigned a dual function, namely on the one hand for holding and sealing the lens, as described above, and on the other hand as an adapter for the optoelectronic sensor module.
  • a further realization of a multipart center body which may alternatively or preferably be implemented in addition to the aforementioned, is that the reflector disk is fixed on an adjusting plate, which is fixed at an adjustable distance from the lens on the main body.
  • the adjusting plate may be formed as a body with external thread, which can be screwed into an internal thread at the outlet of the through-channel. Under cost aspects favorable and in the majority of practice-relevant cases probably sufficient will be a variant in which the adjustment plate and the main body have corresponding locking grooves and bulges.
  • the adjusting plate may be provided with a circumferential detent groove or a peripheral detent bead which snaps into one of a plurality of mutually parallel, corresponding detent grooves or latching beads in the outlet-near inner wall of the through-channel.
  • the sensor head geometry specifies several fixed positions for the adjustment plate, from which one can be chosen during assembly of the sensor head.
  • this type of fixation of the adjusting plate is basically possible even with only one predetermined position.
  • FIG. 2 shows a top view of the sensor head according to the invention along the line of sight arrow II in FIG. 1,
  • clamping ring 24 and / or the main body 18 ahead is, if one or both of said elements, as preferably provided, are formed from a corresponding plastic.
  • the clamping ring could for example also be provided with an external thread which can be screwed into an internal thread of the main body.
  • the inner region of the through-channel 20 or the main body 18 can be subdivided into two subregions.
  • the partial area next to the viewing window 14 is designed as a flow chamber 34.
  • the main body 18 passing through openings 36 are provided which allow ontageendschreib a fluid exchange between the flow chamber 34 and the container interior.
  • the flow chamber is closed by the reflector disc 14 opposite and substantially parallel to this reflector disc, which in turn is attached to an adjustment plate 26, for example, glued to this.
  • the adjusting plate 26 has in the illustrated
  • Embodiment a circumferential locking bead 38 which in one of two corresponding with him locking grooves 39 in the inner wall of the passageway 20 formed by the main body 18 is engaged.
  • embodiments with only one latching groove 39, with more than two latching grooves 39 and with other fastening means are possible, for example an external thread on the adjusting plate 26, which can be screwed into an internal thread of the main body 18.
  • the reflector disk 16 permanently fixed to the main body 18 in a non-adjustable manner.
  • Figure 2 shows a plan view of the sensor head of Figure 1 according to the sighting arrow II, with reference to the above explained for explanation.
  • FIG 3 shows a highly schematic sectional view of an optoelectronic sensor module, which forms an optical sensor together with the sensor head of Figures 1 and 2.
  • the reflector disk 16 of the sensor head 10 is shown in addition to the optoelectronic sensor module 40.
  • the optoelectronic sensor module 40 has a preferably dust and liquid-tight housing 42.
  • an optical window 44 is embedded, which has sufficient for the intended measurement transparency in the respective required spectral range.
  • NIR near Infrared Area
  • a reflection flap 58 is provided in FIG. 3, which can be folded into the illumination beam path for calibration purposes, so that the light from the light source 48 is thrown onto the reflection flap via the mirror 50 and mirrored from there to the input 54 of the spectrometer 56 can be scattered.
  • This direct measurement of the illumination light can be used to create a reference with which subsequently measured detection light of a transflection measurement can be compared.
  • FIG. 4 shows the final assembly state of a disposable container 60 according to the invention.
  • the container consists of a flexible bag 62 which is filled with a fluid 64.
  • an agitator 66 projecting into the interior of the bag 64 is additionally provided, which maintains a permanent flow within the medium 64.
  • the sensor head is used in the manner already described above. In particular, in the embodiment shown, it is welded to the outside of its mounting flange 22 against the inner wall of the bag 62.
  • the flow chamber 34 is flowed through its openings 36 by the fluid 64, wherein the agitator 66 conveys the flow of "fresh" fluid, so that a measurement made on the volume of the flow chamber 34 can be taken as representative of the total bag contents of the sensor head 10 is the optoelectronic sensor module 40 coupled with the tri-clamp coupling structures 25/45 are held together by a clamp 70 in a standard manner.
  • the coupling structures 25/45 are designed so that the optical window 44 is not parallel to the viewing window 14, but at a low angle, preferably between 1 degree and 3 degrees, particularly preferably 2 degrees lies, takes. As a result, errors are avoided, which can be caused by a reflection of the illumination light on the lens 14.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einweg-Sensorkopf für einen optischen Sensor, umfassend einen Zentralkörper (12) mit - einem axialen, durch eine quer zu seiner Längsrichtung ausgerichtete, transparente Sichtscheibe (14) verschlossenen Durchgangskanal (20) und - einem umlaufenden Befestigungsflansch (22), mittels dessen er dichtend an einer Wandung eines flexiblen Behälters (62) so befestigbar ist, dass der Durchgangskanal (20) die Wandung durchsetzt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Durchgangskanal (20) in einem Abschnitt eine offene Durchflusskammer (34) bildet, die einerseits durch die Sichtscheibe (14) und andererseits durch eine der Sichtscheibe (14) gegenüberliegend angeordnete Reflektorscheibe (16) begrenzt ist.

Description

Einweg-Sensorkopf und Einwegbehälter Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Einweg-Sensorkopf für einen optischen Sensor, umfassend einen Zentralkörper mit einem axialen, durch eine quer zu seiner Längsrichtung ausgerichtete, transparente Sichtscheibe verschlossenen Durchgangskanal und
einem umlaufenden Befestigungsflansch, mittels dessen er dichtend an einer Wandung eines flexiblen Behälters so befestigbar ist, dass der Durchgangskanal die Wandung durchsetzt.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Einwegbehälter mit flexibler Wandung und wenigstens einem Einweg- Sensorkopf eines optischen Sensors, wobei der Sensorkopf einen Zentralkörper mit
einem axialen, durch eine quer zu seiner Längsrichtung ausgerichtete, transparente Sichtscheibe verschlossenen
Durchgangskanal und
einem umlaufenden Befestigungsflansch,
aufweist und mittels des Befestigungsflansches dichtend derart an der flexiblen Wandung befestigt ist, dass der Durchgangskanal die Wandung durchsetzt.
Stand der Technik
Derartige Einweg-Sensorköpfe und Einwegbehälter sind bekannt aus der DE 10 2006 001 610 B4.
Insbesondere in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie werden zur Herstellung, Lagerung und Anwendung von Flüssigkeiten und Gasen (nachfolgend zusammenfassend als Fluide bezeichnet) Einwegbehälter mit flexiblen Wandungen anstelle der früher häufiger verwendeten starren Tanks und Flaschen eingesetzt. Derartige Einwegbehälter sollen hier verkürzend als Beutel bezeichnet werden. Ebenso wie bei starren Behältnissen bedarf es der Überwachung unterschiedlichster Parameter der Fluide in den Beuteln. Hierzu ist es aus der genannten Druckschrift bekannt, die Beutelwand durchsetzende optische Sensoren zu verwenden. Aus Kosten- wie aus Sterilitätsgründen wird dabei der Sensorkopf, d.h. das den optischen Kontakt mit dem zu überwachenden Fluid bildende Teil des Sensors, als Einwegelement ausgebildet, welches dem Kunden fest mit dem Beutel verbunden und steril geliefert und nach der Verwendung des Beutels gemeinsam mit diesem entsorgt wird. Dabei ist man bestrebt, wiederverwendbare, teure und/oder nicht sterilisierbare Komponenten, wie beispielsweise Lichtquellen, elektronische Auswerteeinheiten etc. in einem ankoppelbaren Modul unterzubringen und in dem Einweg- Sensorkopf möglichst nur robuste, kostengünstige, sterilisierbare und leicht entsorgbare Elemente unterzubringen.
Bei einem der in der DE 10 2006 001 610 B4 offenbarten Ausführungsbeispiele weist der mittels eines Gegenstücks zu seinem Befestigungsflansch an der Beutelwand festgeklemmte Zentralkörper eine zentrale Durchgangsbohrung auf. Diese bildet einen Durchgangskanal, der einen außerhalb des Beutels gelegenen Eingang und einen innerhalb des Beutels gelegenen Ausgang aufweist und somit die Beutelwand durchsetzt. Ein Volumenstrom durch den Durchgangskanal wird durch eine Sichtscheibe verhindert, welche den Kanal verschließt. Die Sichtscheibe ist transparent, was im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jeweils in Bezug auf die durchzuführende Messung zu verstehen ist und eine hinreichende Durchlässigkeit für Licht der für die jeweiligen Messungen benötigten Wellenlängen bedeutet. Bei der bekannten Ausführungsform ist diese Sichtscheibe am Ausgang des Durchgangskanals angebracht und schließt diesen kuppeiförmig ab. Sie bildet die optische Schnittstelle zwischen einem Fluid im Inneren des Beutels und einer Glasfaser, welche im Inneren des Kanals angeordnet ist und Beleuchtungslicht zu- bzw. Detektionslicht abführt. Ein derartiger Sensorkopf ist zur Durchführung von Rückstreu-, Fluoreszenz- und Phosphoreszenzmessungen geeignet. Transflexionsmessungen, wie sie insbesondere im Rahmen der NIR-Spektroskopie (Nahinfrarot-Spektroskopie) eingesetzt werden, können mit dem bekannten Sensorkopf nicht durchgeführt werden.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den bekannten Einweg-Sensorkopf derart weiterzuentwickeln, dass mit ihm Transflexionsmessungen, insbesondere NIR- Spektroskopiemessungen durchgeführt werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sensorbestückte Beutel zur Verfügung zu stellen, die eine Transflexions-Untersuchung, insbesondere eine NIR- spektroskopische Untersuchung des Beutelinhaltes ermöglichen .
Darlegung der Erfindung
Die erstgenannte Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Durchgangskanal in einem Abschnitt eine offene Durchflusskammer bildet, die einerseits durch die Sichtscheibe und andererseits durch eine der Sichtscheibe gegenüberliegend angeordnete Reflektorscheibe begrenzt ist.
Die oben zweitgenannte Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9 dadurch gelöst, dass der Durchgangskanal in eine im Inneren des Behälters positionierte, offene Durchflusskammer des Sensorkopfes bildet, die zum Behälteräußeren hin durch die Sichtscheibe und zum Behälterinneren hin durch eine der Sichtscheibe gegenüberliegend angeordnete Reflektorscheibe begrenzt ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Es ist die Grundidee der vorliegenden Erfindung, den Durchgangskanal in eine im Zentralkörper des Sensorkopfes enthaltene Transflexions-Durchflusskammer, die als ein Endabschnitt des Durchgangskanals angesehen werden kann, münden zu lassen. Anders als beim Stand der Technik bekannt, dient der Durchgangskanal somit nicht allein der Zu- und Abführung von Licht, sondern weist einen im Montageendzustand beutelaußenseitig gelegenen Zu- und Abführabschnitt für Licht und im Montageendzustand beutelinnenseitig einen Wechselwirkungsabschnitt zur definierten Wechselwirkung zwischen Licht und Beutelinhalt auf. Hierzu wird die den Durchgangskanal verschließende Sichtscheibe vom Kanalausgang rückversetzt, der Kanalausgang selbst wird in Richtung Beutelinneres vorverlagert und mit einer Reflektorscheibe abgeschlossen und die zwischen Sicht- und Reflektorscheibe entstandene Kammer wird zum Beutelinneren hin geöffnet, sodass sie von dem Fluid des Beutelinhaltes durchströmt werden kann. Durch den Zu- und Abführabschnitt des Durchgangskanals wird somit Licht von einer Lichtquelle herangeführt, durchstrahlt die Sichtscheibe, wechselwirkt mit dem Medium in der Durchflusskammer, wird an der Reflektorscheibe je nach deren spezieller Gestaltung reflektiert und/oder gestreut, wechselwirkt erneut mit dem Medium in der Durchflusskammer, durchstrahlt erneut die Sichtscheibe und wird durch den Zu- und Abführabschnitt des Durchgangskanals zu geeigneter Detektion abgeführt. Damit das in der Durchflusskammer enthaltene Fluid repräsentativ für den gesamten Beutelinhalt ist, ist eine gute Durchströmung der Durchflusskammer erforderlich. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Durchflusskammer mindestens zwei seitliche, zwischen der Sichtscheibe und der Reflektorscheibe angeordnete Öffnungen aufweist. Günstigerweise sind die Öffnungen möglichst groß gewählt. Bevorzugt nehmen sie den überwiegenden Wandungsteil des Durchgangskanals zwischen Sichtscheibe und Reflektorscheibe ein und sind lediglich durch schmale Stege voneinander getrennt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zentralkörper, auf der der Reflektorscheibe abgewandten Seite der Sichtscheibe eine Kupplungsvorrichtung zur reversiblen Ankopplung eines optoelektronischen Sensormoduls aufweist. Unter einem optoelektronischen Sensormodul sei hier eine Baueinheit verstanden, die eine Lichtquelle, eine Detektoreinheit und geeignete Lichtleitelemente aufweist. Die Lichtleitelemente können faseroptischer, bevorzugt jedoch strahlenoptischer Natur sein. Insbesondere im Bereich der NIR- spektroskopischen Messungen können faseroptische Lichtleitelemente Probleme im Hinblick auf Transparenz, Dispersion, Apertur, Verlusten an Faserbiegungen etc. aufwerfen. Bevorzugt umfasst das optoelektronische Sensormodul daher eine NIR-Lichtquelle, einen rein oder wenigstens überwiegend strahlenoptischen Beleuchtungsstrahlengang aus Spiegeln und ggfs. Linsen, einen ebenfalls rein oder wenigstens überwiegend strahlenoptischen Detektionsstrahlengang sowie einen NIR- Detektor, insbesondere ein NIR-Spektrometer, dessen Spektrometereingang durchaus faseroptische Elemente enthalten kann. Aufgrund der strahlenoptischen Zu- und Abführung des Lichtes ist eine lagestabile Kopplung zwischen dem Sensorkopf und dem optoelektronischen Sensormodul erforderlich. Diese Forderung wird durch die genannte Weiterbildung der Erfindung aufgrund der direkten Kopplung mit dem Zentralkörper erfüllt. Entsprechende Kupplungsstandards sind dem Fachmann beispielsweise aus der Mikroskopie bekannt.
Der Zentralkörper muss keineswegs zwingend einteilig aufgebaut sein. Vielmehr ist es durchaus möglich und häufig vorteilhaft, wenn der Zentralkörper mehrteilig aufgebaut ist und einen Hauptkörper und wenigstens ein weiteres Zentralkörperbauteil aufweist. Dies kann beispielsweise so realisiert sein, dass die Sichtscheibe dichtend zwischen dem Hauptkörper und einer Stirnseite eines Klemmrings klemmend gehaltert ist. Der Klemmring kann beispielsweise als Gewindering, nach Art eines Sprengrings, durch eine Verrasterung oder auf ähnliche Weise am Hauptkörper befestigt werden. Seine Aufgabe ist es, die Sichtscheibe gegen einen vorzugsweise mit einer Dichtung versehenen Vorsprung des Durchgangskanals zur pressen, um sie einerseits zu haltern und andererseits abzudichten. Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Klemmring an seiner von der Sichtscheibe abgewandten Stirnseite die
Kupplungsvorrichtung zur reversiblen Ankopplung des optoelektronischen Sensormoduls aufweist. Dem Klemmring wird somit eine Doppelfunktion zugewiesen, nämlich einerseits zur Halterung und Abdichtung der Sichtscheibe, wie oben beschrieben, und andererseits als Adapter für das optoelektronische Sensormodul.
Eine weitere Realisierung eines mehrteilig aufgebauten Zentralkörpers, die alternativ oder vorzugsweise zusätzlich zu der zuvor genannten umgesetzt sein kann, besteht darin, dass die Reflektorscheibe auf einer Verstellplatte fixiert ist, die in verstellbarem Abstand von der Sichtscheibe an dem Hauptkörper festgelegt ist. Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, dass der optische Weg für die Transflexionsmessung je nach Bedarf des Einzelfalls eingestellt werden kann. Beispielsweise kann die Verstellplatte als Körper mit Außengewinde ausgebildet sein, welches sich in ein Innengewinde am Ausgang des Durchgangskanals einschrauben lässt. Unter Kostenaspekten günstiger und in der Mehrzahl der praxisrelevanten Fälle wohl hinreichend wird eine Variante sein, bei der die Verstellplatte und der Hauptkörper korrespondierende Rastnuten und -wulste aufweisen. Beispielsweise kann die Verstellplatte mit einer umlaufenden Rastnut oder einem umlaufenden Rastwulst versehen sein, die bzw. der in eine von mehreren parallel zueinander angeordneten, korrespondierenden Rastnuten bzw. Rastwülste in der ausgangsnahen Innenwandung des Durchgangskanals einschnappt. Auf diese Weise gibt die Sensorkopfgeometrie mehrere feste Stellungen für die Verstellplatte vor, von denen eine bei der Montage des Sensorkopfes gewählt werden kann. Selbstverständlich ist diese Art der Fixierung der Verstellplatte auch bei nur einer vorgegebenen Stellung grundsätzlich möglich.
Wie eingangs bereits erwähnt, besteht das
Haupteinsatzgebiet des erfindungsgemäßen Einweg-
Sensorkopfes in seiner Verwendung zusammen mit Einwegbehältern mit flexibler Wandung, d.h. mit den eingangs erläuterten Beuteln. Entsprechend sind Beutel mit erfindungsgemäß integriertem Einweg-Sensorkopf eigenständiger Bestandteil der vorliegenden Anmeldung, wobei jede der zuvor erläuterten Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensorkopfes Einsatz finden kann.
Die Befestigung des erfindungsgemäßen Einweg-Sensorkopfes an dem Beutel zur Schaffung eines erfindungsgemäßen Einwegbehälters kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Insbesondere kann der Befestigungsflansch mit der Wandung verschweißt, verklebt und/oder mittels eines zusätzlichen Gegenstücks verklemmt sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1: eine Schittdarstellung des erfindungsgemäßen
Sensorkopfes, Figur 2 : eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Sensorkopf entlang dem Sichtlinienpfeil II in Figur 1,
Figur 3: ein optoelektronisches Sensormodul zur
Ankopplung an den Sensorkopf der Figuren 1 und 2 sowie die Reflektorplatte des Sensorkopfes der Figuren 1 und 2 zur Veranschaulichung eines beispielhaften Strahlengangs,
Figur 4: ein erfindungsgemäßer Einwegbehälter, umfassend einen Beutel, einen erfindungsgemäßen
Sensorkopf und ein an diesen angekoppeltes optoelektronisches Sensormodul.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Gleiche Bezugs zeichen in den Figuren weisen auf gleiche bzw. analoge Elemente hin. Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Sensorkopf 10. Funktionale Bestandteile des Sensorkopfes 10 sind sein Zentralkörper 12, eine Sichtscheibe 14 sowie eine Reflektorscheibe 16. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper 12 dreiteilig ausgebildet und umfasst insbesondere einen Hauptkörper 18 mit einem zentralen Durchgangskanal 20 und einem Befestigungsflansch 22, einen Klemmring 24, mit dem die Sichtscheibe 14 gehaltert ist, sowie eine Verstellplatte 26, welche die Reflektorscheibe 16 trägt. Das bevorzugte Material für wenigstens den Hauptkörper ist ein schweißbarer Hartkunststoff . Mittels des Befestigungsflansches 22 kann der Hauptkörper 18 an einer Wandung eines Behältnisses, insbesondere eines flexiblen Beutels 62 festgelegt werden, wie dies beispielhaft in der weiter unten näher zu erläuternden Figur 4 gezeigt ist. Dabei kann der Befestigungsflansch 22 mit der Behälterwand verklebt oder verschweißt werden. Alternativ hierzu kann er auch mittels eines oder mehrerer Gegenstücke beispielsweise durch Verschraubung,
Verklemmung, Verrastung etc. festgelegt werden. Der Befestigungsflansch 22 bildet somit eine Abschnittsgrenze zwischen einem in Montageendzustand im Inneren des Behälters liegenden Innenbereichs und einem im Montageendzustand außerhalb des Behälters liegenden Außenbereich des Sensorkopfes. Der Durchgangskanal 20 durchsetzt beide Bereiche.
Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Durchgangskanal 20 etwa auf Höhe des Befestigungsflansches 22 einen Vorsprung 28 auf, auf dem eine Dichtung 30 , beispielsweise eine Flach- oder Flüssigdichtung aufgebracht ist. Auf der Dichtung 30 ruht die Sichtscheibe 14 , die eine hinreichende Transparenz für das im Rahmen der jeweils anzuwendenden optischen Messung benötigte Licht aufweist. Bei der bevorzugten Variante der NIR-spektroskopischen Messung hat sich eine Sichtscheibe aus Quarz oder Saphir als günstig erwiesen. Mittels des Klemmrings 24 ist die Sichtscheibe 14 gegen die Dichtung 30 verklemmt, wobei die Eigenelastizität der Dichtung 30 die Klemmkraft dauerhaft aufrechterhält. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Klemmring 24 einen umlaufenden Rastwulst 32 auf, der in eine korrespondierende Rastnut 33 im Hauptkörper 18 einrastet. Dies setzt eine entsprechende Elastizität des Klemmrings 24 und/oder des Haupt körpers 18 voraus, die jedoch gegeben ist, wenn eines oder beide der genannten Elemente, wie bevorzugt vorgesehen, aus einem entsprechenden Kunststoff ausgebildet sind. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform könnte der Klemmring beispielsweise auch mit einem Außengewinde versehen sein, welches in ein Innengewinde des Hauptkörpers einschraubbar ist.
An seinem der Sichtscheibe 14 abgewandten Ende ist an dem Klemmring 24 eine Koppelstruktur 25 ausgebildet, die bei der gezeigten Ausführungsform dem in Fachkreisen bekannten Tri-Clamp-Standard entspricht. Wie weiter unten im Zusammenhang mit Figur 4 näher beschrieben, dient die Koppelstruktur 25 der Ankopplung eines optoelektronischen Sensormoduls 40.
Bei der gezeigten Ausführungsform bildet die Sichtscheibe 14 die Grenze zwischen einem Innen- und einem Außenbereich des Durchgangskanals 20.
Der Innenbereich des Durchgangskanals 20 bzw. des Hauptkörpers 18 lässt sich in zwei Teilbereiche untergliedern. Der der Sichtscheibe 14 nächstbenachbarte Teilbereich ist als eine Durchflusskammer 34 ausgestaltet. Hierzu sind seitliche, den Hauptkörper 18 durchsetzende Öffnungen 36 vorgesehen, die im ontageendzustand einen Fluidaustausch zwischen der Durchflusskammer 34 und dem Behälterinnenraum erlauben. Abgeschlossen wird die Durchflusskammer durch die der Sichtscheibe 14 gegenüber und im Wesentlichen parallel zu dieser liegende Reflektorscheibe, die ihrerseits an einer Verstellplatte 26, befestigt, beispielsweise mit dieser verklebt ist. Die Verstellplatte 26 weist bei der dargestellten
Ausführungsform einen umlaufenden Rastwulst 38 auf, der in eine von zwei mit ihm korrespondierenden Rastnuten 39 in der von dem Hauptkörper 18 gebildeten Innenwandung des Durchgangskanals 20 eingerastet ist. Der in Figur 1 mit „d" bezeichnete Abstand zwischen der Reflektorscheibe 16 und der Sichtscheibe 14 bildet die Höhe der Durchflusskammer 34, die bei der gezeigten Ausführungsform um eine Stufe vergrößert werden kann, indem die Verstellplatte 26 in die zweite der dargestellten Rastnuten 39 eingerastet wird. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen mit nur einer Rastnut 39, mit mehr als zwei Rastnuten 39 sowie mit anderen Befestigungsmitteln möglich, beispielsweise einem Außengewinde an der Verstellplatte 26, welches in ein Innengewinde des Hauptkörpers 18 einschraubbar ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Reflektorscheibe 16 in nicht verstellbarer Weise dauerhaft an dem Hauptkörper 18 festzulegen.
Figur 2 zeigte eine Draufsicht auf den Sensorkopf von Figur 1 gemäß dem Sichtpfeil II, wobei zur Erläuterung auf das oben gesagte verwiesen wird.
Figur 3 zeigt eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines optoelektronischen Sensormoduls, welches gemeinsam mit dem Sensorkopf der Figuren 1 und 2 einen optischen Sensor bildet. Zur Veranschaulichung eines bevorzugten Strahlengangs ist zusätzlich zu dem optoelektronischen Sensormodul 40 auch die Reflektorscheibe 16 des Sensorkopfes 10 dargestellt. Das optoelektronische Sensormodul 40 weist ein vorzugsweise staub- und flüssigkeitsdichtes Gehäuse 42 auf. In der Wandung des Gehäuses 42 ist ein optisches Fenster 44 eingelassen, welches eine für die beabsichtigte Messung hinreichende Transparenz in dem jeweils benötigten Spektralbereich aufweist. Insbesondere in dem bevorzugt verwendeten nahen Infrarotbereich (NIR) können Fenster aus Quarz oder Saphir verwendet werden. Das optische Fenster 44 ist von einer Koppelstruktur 45 umgeben, die mit der Koppelstruktur 25 des Sensorkopfes 10 korrespondiert, d.h. im vorliegenden Beispiel gemäß dem Tri-Clamp-Standard ausgeführt ist. Selbstverständlich kann auch jede andere Art von Kopplung verwendet werden, die insbesondere eine starre Kopplung zwischen dem optoelektronischen Modul 40 und dem Sensorkopf 10 gewährleistet. Gewinde- und Bayonett-Kupplungen seien rein beispielhaft genannt.
Die starre Kopplung gewinnt insbesondere Bedeutung in den bevorzugten Fällen einer Freistrahlzu- und -abführung von Licht zum bzw. vom Sensorkopf. Ein solcher Fall ist in Figur 3 skizziert. Eine von einer elektrischen Versorgungseinheit 46 gespeiste Lichtquelle 48, insbesondere mit Emissionsspektrum im NIR erzeugt ein Beleuchtungslicht, welches strahlenoptisch, im dargestellten Fall mittels eines Ablenkspiegels 50, zum optischen Fenster 44 hin geleitet wird und dieses durchstrahlt. Das Beleuchtungslicht fällt auf die Reflektorscheibe 16, die bevorzugt als Lambertsche Streuscheibe ausgebildet ist, aber auch anders, z.B. als Spiegel ausgestaltet sein kann. Das von der Reflektorscheibe 16 zurückgeworfene Licht durchstrahlt erneut das optische Fenster 44 (diesmal in umgekehrter Richtung) und wird im Raumwinkel 52 zu der numerischen Apertur der des faseroptischen Eingangs 54 eines Spektrometers 56 aufgenommen. Dieser Aufbau erlaubt eine Transflexionsmessung eines Mediums, welches sich zwischen dem optischen Fenster 44 und der Reflektorscheibe 16 befindet. Im Montageendzustand befindet sich die Durchflusskammer 34 des Sensorkopfs 10 an genau dieser Stelle.
Zusätzlich zu den vorgenannten Komponenten ist in Figur 3 noch eine Reflexionsklappe 58 vorgesehen, welche zu Kalibrierungszwecken in den Beleuchtungsstrahlengang geklappt werden kann, sodass das Licht der Lichtquelle 48 über den Spiegel 50 auf die Reflexionsklappe geworfen und von dort zum Eingang 54 des Spektrometers 56 gespiegelt bzw. gestreut werden kann. Diese Direktmessung des Beleuchtungslichtes kann zur Erstellung einer Referenz genutzt werden, mit welcher später gemessenes Detektionslicht einer Transflexionsmessung verglichen werden kann.
Figur 4 zeigt den Montageendzustand eines erfindungsgemäßen Einwegbehälters 60. Der Behälter besteht aus einem flexiblen Beutel 62, der mit einem Fluid 64 gefüllt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich ein in das Innere des Beutels 64 ragendes Rührwerk 66 vorgesehen, welches innerhalb des Mediums 64 eine permanente Strömung aufrechterhält. In einen Durchbruch 68 durch die Wandung des Beutels 62 ist der Sensorkopf in der oben bereits beschriebenen Weise eingesetzt. Insbesondere ist er bei der gezeigten Ausführungsform mit der Außenseite seines Befestigungsflansches 22 an die Innenwandung des Beutels 62 angeschweißt. Die Durchflusskammer 34 wird durch ihre Öffnungen 36 von dem Fluid 64 durchströmt, wobei das Rührwerk 66 die Durchströmung mit „frischem" Fluid befördert, sodass eine an dem Volumen der Durchflusskammer 34 durchgeführte Messung als repräsentativ für den gesamten Beutelinhalt angenommen werden kann. An den Außenbereich des Sensorkopfes 10 ist das optoelektronische Sensormodul 40 angekoppelt, wobei die Tri-Clamp-Koppelstrukturen 25/45 in standardmäßiger Weise von einer Klammer 70 zusammengehalten werden. Bei der in Figur 4 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform sind die Koppelstrukturen 25/45 so ausgestaltet, dass das optische Fenster 44 nicht parallel zu der Sichtscheibe 14 steht, sondern einen geringen Winkel , der vorzugsweise zwischen 1 Grad und 3 Grad, besonders bevorzugt bei 2 Grad liegt, einnimmt. Hierdurch werden Fehler vermieden, die durch eine Reflexion des Beleuchtungslichtes an der Sichtscheibe 14 entstehen können .
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann der Aufbau des optoelektronischen Sensormoduls technisch der jeweils beabsichtigten Messmethode angepasst werden .
Bezugszeichenliste
10 Sensorkopf
12 Zentralkörper
14 Sichtscheibe
16 Reflektorscheibe
18 Hauptkörper
20 Durchgangskanal
22 Befestigungsflansch
24 Klemmring
25 Koppelstruktur
26 Verstellplatte
28 Absatz
30 Dichtung
32 Rastwulst
33 Rastnut
34 Durchflusskammer
36 Durchflussöffnung
38 Rastwulst
39 Rastnut
40 optoelektronisches Sensormodul 42 Gehäuse
44 optisches Fenster
45 Koppelstruktur
46 elektrische Versorgungseinheit 48 Lichtquelle
50 Umlenkspiegel
52 Linse
54 faseroptischer Spektrometereingang
56 Spektrometer
60 Einwegbehälter
62 Beutel
64 Fluid
66 Rührwerk 68 Wandungsdurchbruch 70 Klammer

Claims

Patentansprüche
Einweg-Sensorkopf für einen optischen Sensor, umfassend einen Zentralkörper (12) mit
- einem axialen, durch eine quer zu seiner Längsrichtung ausgerichtete, transparente Sichtscheibe (14) verschlossenen Durchgangskanal (20) und
- einem umlaufenden Befestigungsflansch (22), mittels dessen er dichtend an einer Wandung eines flexiblen Behälters (62) so befestigbar ist, dass der Durchgangskanal (20) die Wandung durchsetzt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Durchgangskanal (20) in einem Abschnitt eine offene Durchflusskammer (34) bildet, die einerseits durch die Sichtscheibe (14) und andererseits durch eine der Sichtscheibe (14) gegenüberliegend angeordnete Reflektorscheibe (16) begrenzt ist. 2. Sensorkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchflusskammer (34) mindestens zwei
seitliche, zwischen der Sichtscheibe (14) und der
Reflektorscheibe (16) angeordnete Öffnungen (36) aufweist.
3. Sensorkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zentralkörper (12) auf der der
Reflektorscheibe (16) abgewandten Seite der
Sichtscheibe (14) eine Kupplungsvorrichtung (25) zur reversiblen Ankopplung eines optoelektronischen
Sensormoduls (40) aufweist.
4. Sensorkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Zentralkörper (12) mehrteilig aufgebaut ist und einen Hauptkörper (18) und wenigstens ein weiteres
Zentralkörperbauteil (24; 26) aufweist.
Sensorkopf nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sichtscheibe (14) dichtend zwischen dem
Hauptkörper (18) und einer Stirnseite eines Klemmrin (24) klemmend gehaltert ist.
Sensorkopf nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klemmring (24) an seiner von der Sichtscheibe (14) abgewandten Stirnseite die Kupplungsvorrichtung
(25) zur reversiblen Ankopplung des optoelektronischen Sensormoduls (40) aufweist.
Sensorkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reflektorscheibe (16) auf einer Verstellplatte
(26) fixiert ist, die in verstellbarem Abstand von der Sichtscheibe (14) an dem Hauptkörper (18) festgelegt ist .
Sensorkopf nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verstellplatte (26) und der Hauptköper ( korrespondierende Rastnuten (39) und -wulste(38) aufweisen .
9. Einwegbehälter mit flexibler Wandung und wenigstens einem Einweg-Sensorkopf (10) eines optischen Sensors, wobei der Sensorkopf (10) einen Zentralkörper (12) mit
- einem axialen, durch eine quer zu seiner Längsrichtung ausgerichtete, transparente Sichtscheibe (14) verschlossenen Durchgangskanal (20) und
- einem umlaufenden Befestigungsflansch (22),
aufweist und mittels des Befestigungsflansches (22) dichtend derart an der flexiblen Wandung befestigt ist, dass der Durchgangskanal (20) die Wandung durchsetzt, dadurch gekennzeichnet,
dass der Durchgangskanal (20) in eine im Inneren des Behälters positionierte, offene Durchflusskammer (34) des Sensorkopfes (10) ausläuft, die zum Behälteräußeren hin durch die Sichtscheibe (14) und zum Behälterinneren hin durch eine der Sichtscheibe (14) gegenüberliegend angeordnete Reflektorscheibe (16) begrenzt ist.
10. Einwegbehälter nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Befestigungsflansch (22) mit der Wandung verschweißt, verklebt, und/oder mittels eines
zusätzlichen Gegenstücks verklemmt ist.
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