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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen,
mit einem Sender und einem Empfänger für optische Strahlung
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten
Art.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise
aus der
DE 93 19 750
U1 bekannt. Solche im Allgemeinen auch als Tauchsonden
bezeichnete Vorrichtungen werden meist zur Analyse von Flüssigkeiten
beispielsweise in der chemischen, biologischen und pharmazeutischen
Forschung, Produktion und Inspektion eingesetzt. Sie kommen jedoch
auch bei schüttfähigen Stoffen, wie bei spielsweise
Pulvern oder Granulaten, zum Einsatz. Dabei wird mittels der optischen
Strahlung, üblicherweise Licht, die Absorption gemessen,
die das Medium bewirkt, wenn es von der optischen Strahlung durchdrungen
wird.
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In
der Praxis besteht ein häufiges Problem solcher Vorrichtungen
darin, dass es bei manchen Anwendungen erforderlich ist, regelmäßig
und/oder zu bestimmten Zeitpunkten Referenzmessungen durchzuführen.
Zudem kann es erforderlich sein, unterschiedliche Schichtdicken
des Stoffes zu messen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
optischen Messung von Stoffkonzentrationen zu schaffen, mittels
welcher mit verhältnismäßig geringem
Aufwand zu beliebigen Zeitpunkten Referenzmessungen durchgeführt
werden können.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen
gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Messung
von Stoffkonzentrationen umfasst eine optische Umschalt- und Verteilvorrichtung,
die eine optische Sendestrahlung mindestens eines Senders in eine
Messstrahlung und eine Referenzstrahlung aufteilt. Ein erster optischer Übertragungskanal
leitet die Messstrahlung über den zu analysierenden Stoff
zu mindes tens einem Empfänger. Zudem leitet die optische
Umschalt- und Verteilvorrichtung die Referenzstrahlung von dem mindestens
einen optischen Sender zu dem mindestens einen optischen Empfänger.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass bei Bedarf,
d. h. regelmäßig oder zu vorgegebenen Zeitpunkten,
Referenzmessungen vorgenommen werden können.
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In
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
koppelt die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung die Messstrahlung
in den ersten optischen Übertragungskanal ein und koppelt
die von dem zu analysierenden Stoff beeinflusste Messstrahlung als
Messsignal aus dem ersten optischen Übertragungskanal oder
aus einem zweiten optischen Übertragungskanal zu dem mindestens
einen Empfänger aus. Zudem überträgt
die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung die Messstrahlung
oder die Referenzstrahlung in Abhängigkeit von einer Betriebsart
an den mindestens einen Empfänger. Die optische Umschalt-
und Verteilvorrichtung überträgt beispielsweise
während einer Messbetriebsart die Messstrahlung an den
mindestens einen Empfänger und sperrt die Referenzstrahlung.
Während einer Referenzbetriebsart überträgt
die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung die Referenzstrahlung
an den mindestens einen Empfänger und sperrt die Messstrahlung.
Das Messsignal repräsentiert beispielsweise einen Anteil
der Messstrahlung, der den zu analysierenden Stoff durchdrungen
hat. Alternativ kann das Messsignal einen Anteil der Messstrahlung repräsentieren,
den der zu analysierende Stoff reflektiert hat bzw. der von dem
zu analysierenden Stoff gestreut oder durch Fluoreszenz emittiert
wurde.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung mindestens
ein Einkoppelmittel, das einen Teil der von dem mindestens einen Sender
emittierten optischen Sendestrahlung als Messstrahlung in den ersten
optischen Übertragungskanal umlenkt, und einen anderen
Teil der optischen Sendestrahlung als Referenzstrahlung zur Weiterleitung
an den mindestens einen Empfänger passieren lässt.
Des Weiteren umfasst die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung
mindestens ein Auskoppelmittel, welches das Messsignal aus dem ersten
optischen Übertragungskanal oder aus dem zweiten optischen Übertragungskanal
zur Weiterleitung an den mindestens einen Empfänger umlenkt und
die Referenzstrahlung zur Weiterleitung an den mindestens einen
Empfänger passieren lässt.
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Das
mindestens eine Einkoppelmittel ist beispielsweise als vollständig
reflektierender Spiegel ausgeführt, der während
der Messbetriebart in den Lichtweg der emittierten optischen Sendestrahlung bewegt
wird, um die optische Sendestrahlung vollständig als Messstrahlung
in den ersten optischen Übertragungskanal umzulenken. Während
der Referenzbetriebsart wird das min destens eine als vollständig
reflektierender Spiegel ausgeführte Einkoppelmittel aus
dem Lichtweg der emittierten optischen Sendestrahlung bewegt, damit
die optische Sendestrahlung vollständig als Referenzstrahlung
an den mindestens einen Empfänger geleitet werden kann. Zudem
kann das mindestens eine Auskoppelmittel ebenfalls als vollständig
reflektierender Spiegel ausgeführt werden, der während
der Messbetriebsart in den Lichtweg des Messsignals bewegt wird,
um das Messsignal aus dem ersten oder zweiten optischen Übertragungskanal
zur Weiterleitung an den mindestens einen Empfänger umzulenken,
und während der Referenzbetriebsart aus dem Lichtweg der
von dem mindestens einen Sender emittierten optischen Sendestrahlung
bewegt wird, damit die optische Sendestrahlung vollständig
als Referenzstrahlung an den mindestens einen Empfänger übertragen
werden kann. Dadurch lassen sich die Zeitfenster für die Messbetriebsart
und die Referenzbetriebsart einfach durch eine entsprechende Ansteuerung
eines Antriebs einstellen, der das mindestens eine Einkoppelmittel
bzw. das mindestens eine Auskoppelmittel bewegt. Alternativ können
das mindestens eine als vollständig reflektierender Spiegel
ausgeführte Einkoppelmittel und das mindestens eine als
vollständig reflektierender Spiegel ausgeführte
Auskoppelmittel über den Antrieb kontinuierlich mit einer
vorgebbaren Geschwindigkeit angetrieben werden, wobei die geometrischen
Ausführungen und Anordnungen des mindestens einen Einkoppelmittels
und des mindestens einen Auskoppelmittels die Eigenschaften der Messbetriebsart
und der Referenzbetriebsart bestimmen.
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Alternativ
kann das mindestens eine Einkoppelmittel als teildurchlässiger
Spiegel ausgeführt werden, der einen Teil der von dem mindestens
einen Sender emittierten optischen Sendestrahlung als Messstrahlung
in den ersten optischen Übertragungskanal umlenkt und einen
anderen Teil der optischen Sendestrahlung als Referenzstrahlung
zur Weiterleitung an den mindestens einen Empfänger passieren
lässt. Zudem kann das mindestens eine Auskoppelmittel ebenfalls
als teildurchlässiger Spiegel ausgeführt werden,
der das Messsignal aus dem ersten optischen Übertragungskanal
zur Weiterleitung an den mindestens einen Empfänger umlenkt und
die Referenzstrahlung zur Weiterleitung an den mindestens einen
Empfänger passieren lässt.
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Die
Umschaltung zwischen der Messbetriebsart und der Referenzbetriebsart
kann dabei dadurch umgesetzt werden, dass die optische Umschalt-
und Verteilvorrichtung eine Drehscheibe mit mindestens einem ersten
Durchlass aufweist, die über eine Antriebswelle von einem
Antrieb bewegbar ist, die mindestens einen zweiten Durchlass aufweist, wobei
die Messstrahlung durch den mindestens einen ersten Durchlass leitbar
ist, und wobei die Referenzstrahlung durch den mindestens einen
zweiten Durchlass leitbar ist. Das bedeutet, dass der Antrieb die
Drehscheibe und die Antriebswelle während der Messbetriebsart
jeweils in eine erste Drehstellung dreht, in der mindestens ein
erster Durchlass der Drehscheibe so ausgerichtet ist, dass die Messstrahlung
den mindestens einen ersten Durchlass passiert und zu dem zu analysierenden
Stoff geleitet wird, und der mindestens eine zweite Durchlass der
Antriebswelle so ausgerichtet ist, dass die Referenzstrahlung den
zweiten Durchlass nicht passiert, d. h. nicht zu dem mindestens
einen Empfänger geleitet wird. Während der Referenzbetriebsart
dreht der Antrieb die Drehscheibe und die Antriebswelle jeweils
in eine zweite Drehstellung, in der mindestens ein erster Durchlass
der Drehscheibe so ausgerichtet ist, dass die Messstrahlung den
mindestens einen ersten Durchlass nicht passiert, und der mindestens
eine zweite Durchlass der Antriebswelle so ausgerichtet ist, dass
die Referenzstrahlung den mindestens einen zweiten Durchlass passiert
und zu dem mindestens einen Empfänger geleitet wird. Dadurch
lassen sich die Zeitfenster für die Messbetriebsart und
die Referenzbetriebsart einfach durch eine entsprechende Ansteuerung
des Antriebs einstellen.
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Alternativ
kann der Antrieb die Drehscheibe und die Antriebswelle kontinuierlich
mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit antreiben, wobei die Messbetriebsart
und die Referenzbetriebsart durch die geometrische Ausführungen
und Anordnungen des mindestens einen ersten Durchlasses in der Drehscheibe,
der Drehscheibe und des mindestens einen zweiten Durchlasses in
der An triebswelle bestimmbar sind. Zusätzlich kann die
vorgebbare Geschwindigkeit des Antriebs zur Anpassung der Messbetriebsart und
der Referenzbetriebsart eingestellt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung einkanalig ausgeführt werden, d. h. jeweils
ein Sender, der Lichtstrahlung mit einer vorgegebenen Schwerpunktswellenlänge emittiert,
und jeweils ein Empfänger sind einem Messkanal und einem
Referenzkanal zugeordnet.
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Alternativ
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrkanalig
ausgeführt werden, d. h. es sind mehrere Sender und Empfänger
mit unterschiedlichen Schwerpunktwellenlängen vorhanden, wobei
die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung mehrere Einkoppelmittel
und Auskoppelmittel umfasst, die jeweils einem Messkanal und einem
Referenzkanal zugeordnet sind. Zudem kann der mindestens eine erste
Durchlass in der Drehscheibe in Abhängigkeit von der Drehstellung
verschiedenen Messkanälen zugeordnet werden. Analog kann
der mindestens eine zweite Durchlass in der Antriebsachse in Abhängigkeit
von der Drehstellung verschiedenen Referenzkanälen zugeordnet
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine Umlenkeinrichtung, welche die durch den ersten
optischen Übertragungskanal geführte opti sche
Messstrahlung des wenigstens einen Senders zu dem wenigstens einen Empfänger
umleitet, wobei die Umlenkvorrichtung bei einem bestimmungsgemäßen
Gebrauch der Vorrichtung innerhalb des zu analysierenden Stoffs
angeordnet ist.
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Alternativ
zur Umlenkvorrichtung kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung einen Messsignalgeber, der die optische Messstrahlung
des wenigstens einen Senders aus dem ersten optischen Übertragungskanal
in den zu analysierenden Stoffs einkoppelt, und einen Messsignalaufnehmer
umfassen, der die von dem zu analysierenden Stoff beeinflusste Messstrahlung
als Messsignal in einen zweiten optischen Übertragungskanal
einkoppelt, der das Messsignal zur optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung zurückführt.
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Bei
beiden Ausführungsformen kann jeweils über eine
entsprechende Verstellrichtung eine Messstrecke verändert
werden, d. h. ein Abstand zwischen der Umlenkeinrichtung und dem
ersten optischen Übertragungskanal bzw. zwischen dem Messsignalgeber
und dem Messsignalaufnehmer. Dadurch kann in vorteilhafter Weise
die Schichtdicke des zu analysierenden Stoffes variiert werden,
wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung an die jeweilige Messaufgabe
angepasst werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird der zu analysierende Stoff in einem Rohr geführt,
wobei der erste optische Übertragungskanal an einer ersten
Seite in das Rohr eingeführt ist und die Verstelleinrichtung
an einer zweiten Seite in das Rohr eingeführt ist. Der
erste optische Übertragungskanal und die Verstelleinrichtung sind
beispielsweise so in das Rohr eingeführt, dass die entsprechenden Öffnungen
im Rohr eine gemeinsame Mittelachse aufweisen. Alternativ können
der erste optische Übertragungskanal und die Verstelleinrichtung
so in das Rohr eingeführt werden, dass die Mittelachsen
der entsprechenden Öffnungen im Rohr senkrecht zueinander
stehen. Der erste optische Übertragungskanal und/oder der
zweite optische Übertragungskanal sind beispielsweise als Lichtleiter
ausgeführt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind
Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
prinzipmäßig dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Messung
von Stoffkonzentrationen;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung
aus 1 während einer Messbetriebsart;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung einer optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung
aus 1 während einer Referenzbetriebsart,
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4 eine
zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen;
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5 eine
dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen; und
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6 eine
vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Messung der Konzentration eines
Stoffes 2, der im vorliegenden Fall in einem Rohr 3 aufgenommen
ist. Bei dem Stoff 2 kann es sich um eine Flüssigkeit,
gegebenenfalls mit einem darin aufgelösten Zusatzstoff,
oder um Schüttgut, wie Pulver, Körner oder Granulate,
handeln. Die Vorrichtung 1 kann auch als Tauchsonde bezeichnet
werden und weist einen Sender 22 sowie einen Empfänger 24 für
optische Strahlung 40, 41, 42, 44,
auf. Bei der opti schen Strahlung 40, 41, 42, 44 handelt
es sich vorzugsweise um Licht mit einer vorgebbaren Schwerpunktswellenlänge,
die in Abhängigkeit von dem zu analysierenden Stoff 2 zwischen
dem UV-Wellenlängebereich (UV: ultraviolett) und dem fernen
IR-Wellenlängenbereich (IR: infrarot) auswählbar
ist. Zwischen dem optischen Sender 22 und dem optischen
Empfänger 24 ist eine optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 angeordnet,
die eine optische Sendestrahlung 40 des Senders 22 in eine
Messstrahlung 41 und eine Referenzstrahlung 42 aufteilt.
Ein optischer Übertragungskanal 4 leitet die Messstrahlung 41 über
den zu analysierenden Stoff 2 zu einer Umlenkeinrichtung 6 und
die von dem zu analysierenden Stoff 2 beeinflusste Messstrahlung 41 als
Messsignal 44 zum Empfänger 24. Das Messsignal 44 repräsentiert
beispielsweise einen Anteil der vom Sender 22 emittierten
Messstrahlung, der den zu analysierenden Stoff 2 durchdrungen
hat oder einen Anteil der emittierten Messstrahlung 41, den
der zu analysierende Stoff 2 reflektiert hat. Die Referenzstrahlung 42 wird
von der optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 vom
optischen Sender 22 zum optischen Empfänger 24 geleitet.
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Wie
weiter aus 1 ersichtlich ist, sind der Sender 22 und
der Empfänger 24 in einem Gehäuse 20 untergebracht,
welches einen Flansch 8 aufweist, über den es
an bestehenden Messvorrichtungen oder dergleichen angebracht werden
kann. Die Umlenkeinrichtung 6 ist bei bestimmungsgemäßem
Gebrauch der Vorrichtung 1 innerhalb des Stoffes 2 angeordnet
und lenkt die von der optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 ausgekoppelte
Messstrahlung 41 zum Empfänger 24 um.
Die Umlenkeinrichtung 6 kann mittels einer Verstelleinrichtung 10 gegenüber
dem optischen Übertragungskanal 4 und damit gegenüber
dem Sender 22 und dem Empfänger 24 verstellt
werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Messstrecke 5 zwischen
dem optischen Übertragungskanal 4 und der Umlenkeinrichtung 6 zu
variieren, so dass mit der Vorrichtung 1 verschiedene Schichtdicken
des zu analysierende Stoffes 2 gemessen werden können,
ohne die Vorrichtung 1 aus dem Stoff 2 zu entfernen.
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Während
in 1 die Umlenkeinrichtung 6 so ausgebildet
ist, dass die optische Messstrahlung 41 zweimal durch den
Stoff 2 verläuft, nämlich auf dem Weg
von dem optischen Übertragungskanal 4 zu der Umlenkeinrichtung 6 und
auf dem Rückweg von der Umlenkeinrichtung 6 zu
dem optischen Übertragungskanal 4, kann die Umlenkeinrichtung 6 gemäß einer
alternativen nicht dargestellten Ausführungsform so angeordnet
werden, dass die optische Messstrahlung 41 lediglich einmal
durch den Stoff 2 verläuft. Hierzu kann beispielsweise
im Bereich zwischen dem optischen Übertragungskanal 4 und
der Umlenkeinrichtung 6 ein Rohr angeordnet werden, durch
welches die optische Messstrahlung 41 auf einem Weg durch
den zu analysierenden Stoff 2 geführt wird. Das
bedeutet, dass die optische Messstrahlung 41 entweder auf
dem Weg von der Umlenkeinrichtung 6 zum optischen Übertragungskanal 4 oder
auf dem Weg vom optischen Übertragungskanal 4 zur
Umlenkeinrichtung 6 in dem Rohr geführt wird. Eine
solche Anordnung kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn
der zu untersuchende Stoff 2 eine sehr hohe Absorption
aufweist, so dass bei einem zweimaligen Durchlaufen desselben zu
viel Energie der optischen Messstrahlung 41 verloren ginge.
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Wie
weiter aus 1 ersichtlich ist, ist der optische Übertragungskanal 4 an
einer ersten Seite in das Rohr 3 eingeführt und
die Verstelleinrichtung 10 ist an einer zweiten Seite,
die der ersten Seite gegenüberliegt, in das Rohr 3 eingeführt
und durch entsprechende Haltemittel 9 befestigt. Das bedeutet, dass
der erste optische Übertragungskanal 4 und die Verstelleinrichtung 10 so
in das Rohr 3 eingeführt sind, dass die entsprechenden Öffnungen
im Rohr 3 eine gemeinsame Mittelachse aufweisen. Das Gehäuse 20 mit
dem optischen Übertragungskanal 4 und das Gehäuse 10.1 der
Verstelleinrichtung 10 können jeweils über
entsprechende Schnellverschlüsse 7 an der Messvorrichtung
des Rohrs 3 befestigt werden. Durch diese Anordnung der
Verstelleinrichtung 10 außerhalb des Gehäuses 20 wird
in vorteilhafter Weise Bauraum im Gehäuse 20 eingespart,
so dass die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 problemlos
im Gehäuse 20 untergebracht werden kann. Die Verstelleinrichtung 10 umfasst
inner halb des Gehäuses 10.1 wenigstens ein Antriebselement 11 und
ein in dem wenigstens einen Antriebselement 11 verschiebbar
gelagertes Verschiebeelement 12, wobei das Antriebselement 11 innerhalb
der Verstelleinrichtung 10 fixiert ist und das Verschiebeelement 12 mit
der Umlenkeinrichtung 6 verbunden ist. Im vorliegenden
Fall wird das Verschiebeelement 12 beidseitig geführt,
d. h. im optischen Übertragungskanal 4 ist beispielsweise
ein als Rohr ausgeführtes Führungselement 4.1 angeordnet,
in dem das beispielsweise als Stange ausgeführte Verschiebelement 12 längsbeweglich
geführt wird, und in der Verstellvorrichtung 10 wird
das Verschiebeelement 12 durch das Antriebselement 11 geführt. Selbstverständlich
sind jedoch auch andere Ausführungsformen des Führungselements 4.1,
des Antriebselements 11 und des Verschiebeelements 12 denkbar,
z. B. in Form von Gewinden oder ähnlichem.
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Die
Betätigung der Verstelleinrichtung 10 und damit
die Verstellung der Umlenkeinrichtung 6 über das
Verschiebeelement 12 können manuell erfolgen.
Alternativ ist auch ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer
Antrieb des Verschiebeelements 12 denkbar, wozu bekannte
Antriebselemente 11 eingesetzt werden können.
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Wie
weiter aus 1 ersichtlich ist, weist die Umlenkeinrichtung 6 im
vorliegenden Fall zwei Spiegel 6.1 auf, die zur Umlenkung
der optischen Messstrahlung 41 dienen. Da diese Ausführungsform
der Umlenkeinrichtung 6 an sich bekannt ist, braucht sie hierin
nicht näher beschrieben zu werden. Dies gilt auch für
eine nicht dargestellte Ausführungsform, in der die Umlenkeinrichtung 6 als
Prisma ausgebildet ist. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 und 3 die
Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels der optischen
Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 im Detail beschrieben.
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Wie
aus 2 und 3 ersichtlich ist, umfasst die
optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 ein Einkoppelmittel 31,
das hier beispielsweise als teildurchlässiger Spiegel ausgeführt
ist und einen Teil der vom Sender 22 emittierten optischen
Sendestrahlung 40 als Messstrahlung 41 in den
ersten optischen Übertragungskanal 4 umlenkt und
einen anderen Teil der optischen Sendestrahlung 40 als Referenzstrahlung 42 zur
Weiterleitung an den Empfänger 24 passieren lässt.
Weiter umfasst die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 ein
Auskoppelmittel 36, das hier ebenfalls als teildurchlässiger
Spiegel ausgeführt ist und das Messsignal 44 aus dem
optischen Übertragungskanal 4 zur Weiterleitung
an den Empfänger 24 umlenkt und die Referenzstrahlung 42 zur
Weiterleitung an den Empfänger 24 passieren lässt.
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Zur
Trennung zwischen einer Messbetriebsart und einer Referenzbetriebsart
umfasst die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 eine
Drehscheibe 32, die mindestens einen ersten Durchlass 33 aufweist
und über eine Antriebswelle 34 von einem Antrieb 38 bewegbar
ist, die mindestens einen zweiten Durchlass 35 aufweist,
wobei die Messstrahlung 41 durch den mindestens einen ersten
Durchlass 33 in der Drehscheibe 32 leitbar ist,
und die Referenzstrahlung 42 durch den mindestens einen zweiten
Durchlass 35 in der Antriebswelle 34 leitbar ist.
Somit überträgt die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 in
Abhängigkeit von einer Betriebsart die Messstrahlung 41 oder
die Referenzstrahlung 42 an den Empfänger 24.
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2 zeigt
eine Darstellung der optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 während
der Messbetriebsart, während der die optische Umschalt-
und Verteilvorrichtung 30 die Messstrahlung 41 bzw.
das von dem zu analysierenden Stoff 2 beeinflusste Messsignal 44 an
den in 2 nicht dargestellten Empfänger 24 überträgt
und die Referenzstrahlung 42 sperrt. Wie aus 2 ersichtlich
ist, hat der Antrieb 38 die Drehscheibe 32 und
die Antriebswelle 34 während der Messbetriebsart
jeweils in eine erste Drehstellung gedreht, in der mindestens ein erster
Durchlass 33 der Drehscheibe 32 so ausgerichtet
ist, dass die Messstrahlung 41 und das von dem zu analysierenden
Stoff 2 beeinflusste Messsignal 44 den mindestens
einen ersten Durchlass 33 passieren können, und
der mindestens eine zweite Durchlass 35 der Antriebswelle 34 so
ausgerichtet ist, dass die Referenzstrahlung 42 den zweiten Durchlass 35 nicht
passiert und daher gesperrt ist. Somit gelangt während
der Messbetriebsart nur das von dem zu analysierenden Stoff 2 beeinflusste Messsignal 44 zum
Empfänger 24.
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3 zeigt
eine Darstellung der optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 während
der Referenzbetriebsart, während der die optische Umschalt-
und Verteilvorrichtung 30 die Referenzstrahlung 42 an
den mindestens einen in 3 nicht dargestellten Empfänger 24 überträgt
und die Messstrahlung 41 sperrt. Wie aus 3 ersichtlich
ist, hat der Antrieb 38 während der Referenzbetriebsart
die Drehscheibe 32 über die Antriebswelle 34 jeweils
in eine zweite Drehstellung gedreht, in der der mindestens eine
in 3 nicht sichtbare erste Durchlass 33 in
der Drehscheibe 32 so ausgerichtet ist, dass die Messstrahlung 41 den
mindestens einen ersten Durchlass 33 nicht passieren kann
und somit auch kein Messsignal 44 an den Empfänger 24 übertragen wird,
und der mindestens eine zweite Durchlass 35 der Antriebswelle 34 ist
so ausgerichtet, dass die Referenzstrahlung 42 den mindestens
einen zweiten Durchlass 35 passiert und zum Empfänger 24 übertragen
wird. Dadurch lassen sich die Zeitfenster für die Messbetriebsart
und die Referenzbetriebsart einfach durch eine entsprechende Ansteuerung
des Antriebs und das Vorgeben der ersten oder zweiten Drehstellung
einstellen.
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Alternativ
kann der Antrieb 38 die Antriebswelle 34 und damit
die Drehscheibe 32 kontinuierlich mit einer vorgebbaren
Geschwindigkeit antreiben, so dass sich erste und zweite Drehstellungen
und somit die Messbetriebsart und die Referenzbetriebsart abwechseln.
Der Rhythmus für die Abwechslungen kann durch die geometrische
Ausführungen und Anordnungen des mindestens einen ersten
Durchlasses 33 in der Drehscheibe 32, der Drehscheibe 32 und
des mindestens einen zweiten Durchlasses 35 in der Antriebswelle 34 bestimmt
werden. Zusätzlich kann die vorgebbare Geschwindigkeit
des Antriebs 38 zur Anpassung der Messbetriebsart und der
Referenzbetriebsart eingestellt werden.
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Bei
einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform
der Erfindung, kann das mindestens eine Einkoppelmittel als vollständig
reflektierender Spiegel ausgeführt werden, der während
der Messbetriebart in den Lichtweg der emittierten optischen Sendestrahlung
bewegt wird, um die optische Sendestrahlung vollständig
als Messstrahlung in den ersten optischen Übertragungskanal
umzulenken, und während der Referenzbetriebart aus dem
Lichtweg der emittierten optischen Sendestrahlung bewegt wird, damit
die optische Sendestrahlung vollständig als Referenzstrahlung
an den mindestens einen Empfänger geleitet wird. Zudem
kann das mindestens eine Auskoppelmittel als vollständig
reflektierender Spiegel ausgeführt werden, der während der
Messbetriebart in den Lichtweg des Messsignals bewegt wird, um das
Messsignal aus dem ersten optischen Übertragungskanal zur
Weiterleitung an den mindestens einen Empfänger umzulenken,
und während der Referenzbetriebart aus dem Lichtweg der von
dem mindestens einen Sender emittierten optischen Sendestrahlung
bewegt wird, so dass die optische Sendestrahlung vollständig
als Referenzstrahlung an den mindestens einen Empfänger
geleitet wird. Das als vollständig reflektierender Spiegel
ausgeführte Einkoppelmittel und/oder das als vollständig reflektierender
Spiegel ausgeführte Auskoppelmittel können über
geeignete Mittel mit einem Antrieb gekoppelt werden, der das mindestens
eine Einkoppelmittel und das mindestens eine Auskoppelmittel entsprechend
der Betriebsart bewegt. Zudem kann der Antrieb das mindestens eine
als vollständig reflektierender Spiegel ausgeführte
Einkoppelmittel und das mindestens eine als vollständig
reflektierender Spiegel ausgeführte Auskoppelmittel kontinuierlich
antreiben, so dass sich Stellungen, in denen das mindestens eine
Einkoppelmittel bzw. das mindestens eine Auskoppelmittel jeweils
in die entsprechenden Lichtwege bewegt sind, mit Stellungen abwechseln,
in denen das mindestens eine Einkoppelmittel bzw. das mindestens
eine Auskoppelmittel jeweils aus den entsprechenden Lichtwegen bewegt
sind. Hierbei werden die Eigenschaften der Messbetriebsart und der
Referenzbetriebsart von den geometrischen Ausführungen
und Anordnungen des mindestens einen Einkoppelmittels und des mindestens einen
Auskoppelmittels und von der Antriebsgeschwindigkeit bestimmt.
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Die
in 4 dargestellte zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 zur
optischen Messung von Stoffkonzentrationen misst analog zum ersten
Ausführungsbeispiel gemäß 1 die
Konzentration eines Stoffes 102 in einem Rohr 103 und
umfasst einen Sender 122, einen Empfänger 124 und
eine optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 130, die
in einem Gehäuse 120 angeordnet sind. Analog zur
optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung 30 aus 1 teilt
die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 130 eine
optische Sendestrahlung des Senders 122 in eine Messstrahlung 141 und eine
Referenzstrahlung auf und leitet die Messstrahlung 141 durch
einen optischen Übertragungskanal 104 über
den zu analysierenden Stoff 102 zu einer Umlenkeinrichtung 106 und
leitet die von dem zu analysierenden Stoff 102 beeinflusste
Messstrahlung als Messsignal 144 zum Empfänger 124.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1,
ist der optische Übertragungskanal 104 als Lichtleiter
realisiert, wobei ein erster Lichtleiter das Messsignal 141 zur
Einkopplung in den zu analysierenden Stoff 102 überträgt
und ein zweiter Lichteiter die von dem zu analysierenden Stoff 102 beeinflusste Messstrahlung
als Messsignal 144 zum Empfänger 124 leitet.
Das bedeutet, dass die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 130 über
ein nicht dargestelltes Einkoppelmittel einen Teil der vom Sender 122 emittierten
optischen Sendestrahlung als Messstrahlung 141 in den ersten
Lichtleiter einkoppelt und einen anderen Teil der optischen Sendestrahlung
als Referenzstrahlung zur Weiterleitung an den Empfänger 124 passieren
lässt, und über ein nicht dargestelltes Auskoppelmittel
das Messsignal 144 aus dem zweiten Lichtleiter zur Weiterleitung
an den Empfänger 124 auskoppelt und die Referenzstrahlung
zur Weiterleitung an den Empfänger 124 passieren
lässt.
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Die
Ausführungen und Funktionsweisen der Verstelleinrichtung 110 mit
einem Antriebselement 111 und einem Verschiebeelement 112 und
der Umlenkeinrichtung 106 bzw. die Veränderung
einer Messstrecke 105 entsprechen den Ausführungen und
Funktionsweisen der Verstelleinrichtung 10 mit dem Antriebselement 11 und
dem Verschiebeelement und der Umlenkeinrichtung 6 bzw.
der Veränderung der Messstrecke 5 aus 1.
Analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind
das Gehäuse 120, das über einen Flansch 108 mit
einer Messvorrichtung am Rohr 103 gekoppelt ist, und die Verstelleinrichtung 110 bzw.
das Gehäuse 110.1 der Verstelleinrichtung 110 jeweils über
entsprechende Haltemittel 109 bzw. Schnellverschlüsse 107 an
der Messvorrichtung des Rohrs 103 befestigt.
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Die
in 5 dargestellte dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 201 zur
optischen Messung von Stoffkonzentrationen misst analog zum ersten und
zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 4 die
Konzentration eines Stoffes 202 in einem Rohr 203 und
umfasst einen Sender 222, einen Empfänger 224 und
eine optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 230, die
in einem Gehäuse 220 angeordnet sind. Analog zur
Umschalt- und Verteilvorrichtung 130 aus 4 teilt
die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 230 eine
optische Sendestrahlung des Senders 222 in eine Messstrahlung 241 und
eine Referenzstrahlung auf und koppelt die Messstrahlung 241 über
ein nicht dargestelltes Einkoppelmittel in einen als Lichtleiter
ausgeführten ersten optischen Übertragungskanal 204 ein, der
die Messstrahlung 241 zu einem innerhalb des zu analysierenden
Stoffs 202 angeordneten Messsignalgeber 213 überträgt.
Der Messsignalgeber 213 koppelt die optische Messstrahlung 241 aus
dem ersten Lichtleiter 204 in den zu analysierenden Stoff 202 ein,
und ein Messsignalaufnehmer 214 koppelt die von dem zu
analysierenden Stoff 202 beeinflusste Messstrahlung als
Messsignal 244 in einen als Lichtleiter ausgeführten
zweiten optischen Übertragungskanal 250 ein, der
das Messsignal 244 zur optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung 230 zurückführt. Die
optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 230 koppelt über
ein nicht dargestelltes Auskoppelmittel das Messsignal 244 aus
dem zweiten Lichtleiter 250 zur Weiterleitung an den Empfänger 224 aus.
Die Referenzstrahlung wird während der Referenzbetriebsart
vom Sender 222 über das Einkoppel mittel und das
Auskoppelmittel zum Empfänger 224 übertragen.
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Wie
weiter aus 5 ersichtlich ist, ist eine Messstrecke 205 zwischen
dem Messsignalgeber 213 und dem Messsignalaufnehmer 214 mittels
einer Verstelleinrichtung 210 veränderbar. Die
Verstelleinrichtung 210 umfasst analog zu den Verstelleinrichtungen 10, 110 aus 1 und 4 innerhalb
eines Gehäuses 210.1 ein Antriebselement 211 und
ein im Antriebselement 211 verschiebbar gelagertes Verschiebeelement 212,
das mit dem Messsignalaufnehmer 214 verbunden ist. Die
Verstellung des Verschiebeelements 212 kann manuell und/oder
elektrisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch erfolgen.
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In
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist der erste optische Übertragungskanal 204 mit
dem Messsignalgeber 213 an einer ersten Seite in das Rohr 203 eingeführt
und die Verstelleinrichtung 210 ist an einer zweiten Seite
in das Rohr 203 eingeführt, wobei die entsprechenden Öffnungen
im Rohr 203 zur Aufnahme des Übertragungskanals 204 und
der Verstelleinrichtung 210 eine gemeinsame Mittelachse
aufweisen. Analog zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 und 4 sind das
Gehäuse 220, das über einen Flansch 208 mit
einer Messvorrichtung am Rohr 203 gekoppelt ist, und das
Gehäuse 210.1 der Verstelleinrichtung 210 jeweils über
entsprechende Schnellverschlüsse 207 an der Messvorrichtung
des Rohrs 203 befestigt. Zudem wird der zweite optische Übertragungskanal 250 über
eine entsprechende Schnittstelle 252 mit Schnellverschlüssen
an das Gehäuse 220 angekoppelt.
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Die
in 6 dargestellte vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 201' zur optischen
Messung von Stoffkonzentrationen entspricht im Wesentlichen dem
dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 201 gemäß 5,
wobei in 5 und 6 gleiche
Bezugszeichen Elemente bzw. Komponenten bezeichnen, die gleiche
bzw. analoge Funktionen ausführen. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung 201' umfasst einen Sender 222, einen
Empfänger 224 und eine optische Umschalt- und
Verteilvorrichtung 230, die in einem Gehäuse 220' angeordnet
sind. Analog zur Umschalt- und Verteilvorrichtung 230 aus 5 teilt
die Umschalt- und Verteilvorrichtung 230 aus 6 die optische
Sendestrahlung des Senders 222 in eine Messstrahlung 241 und
eine Referenzstrahlung auf und koppelt die Messstrahlung 241 über
ein nicht dargestelltes Einkoppelmittel in einen als Lichtleiter ausgeführten
ersten optischen Übertragungskanal 204 ein, der
die Messstrahlung 241 zu einem innerhalb des zu analysierenden
Stoffs 202 angeordneten Messsignalgeber 213 überträgt.
Der Messsignalgeber 213 koppelt die optische Messstrahlung 241 aus dem
ersten Lichtleiter 204 in den zu analysierenden Stoff 202 ein,
und ein Messsignalaufnehmer 214' koppelt die von dem zu
analysierenden Stoff 202 beeinflusste Messstrahlung als
Messsignal 244' in einen als Lichtleiter ausgeführten
zweiten optischen Übertragungskanal 250' ein,
der das Messsignal 244' zur optischen Umschalt- und Verteilvorrichtung 230 zurückführt.
Die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung 230 koppelt über
ein nicht dargestelltes Auskoppelmittel das Messsignal 244' aus
dem zweiten Lichtleiter 250' zur Weiterleitung an den Empfänger 224 aus.
Die Referenzstrahlung wird während der Referenzbetriebsart
vom Sender 222 über das Einkoppelmittel und das
Auskoppelmittel zum Empfänger 224 übertragen.
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Wie
weiter aus 6 ersichtlich ist, ist eine Messstrecke 205' zwischen
dem Messsignalgeber 213 und dem Messsignalaufnehmer 214' mittels
einer Verstelleinrichtung 210' veränderbar. Die
Verstelleinrichtung 210' umfasst analog zur den Verstelleinrichtungen 210 aus 5 innerhalb
eines Gehäuses 210.1' ein Antriebselement 211' und
ein im Antriebselement 211' verschiebbar gelagertes Verschiebeelement 212',
das mit dem Messsignalaufnehmer 214' verbunden ist. Die
Verstellung des Verschiebeelements 212' kann manuell und/oder
elektrisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch erfolgen.
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In
dem in 6 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der erste optische Übertra gungskanal 204 mit
dem Messsignalgeber 213 an einer ersten Seite in das Rohr 203 eingeführt und
die Verstelleinrichtung 210' ist an einer zweite Seite
in das Rohr 203' eingeführt, wobei im Unterschied
zum dritten Ausführungsbeispiel gemäß 5 die
Mittelachsen der entsprechenden Öffnungen im Rohr 203' zur
Aufnahme des Übertragungskanals 204 und der Verstelleinrichtung 210' senkrecht
zueinander sind. Dadurch nimmt der Messsignalaufnehmer 214' einen
Anteil der vom Sender 222 emittierten Messstrahlung 241 als
Messsignal 244' auf, der von dem zu analysierenden Stoff 202 gestreut
wird bzw. aufgrund von Fluoreszenz emittiert wird. Analog zum dritten
Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind
das Gehäuse 220', das über einen Flansch 208 mit
einer Messvorrichtung am Rohr 203' gekoppelt ist, und das
Gehäuse 210.1' der Verstelleinrichtung 210' jeweils über
entsprechende Schnellverschlüsse 207, 207' an
der Messvorrichtung des Rohrs 203' befestigt. Zudem wird
der zweite optische Übertragungskanal 250' über
eine entsprechende Schnittstelle 252' mit Schnellverschlüssen
an das Gehäuse 220' angekoppelt.
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Bei
den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind jeweils
ein Sender, der Lichtstrahlung mit der vorgegebenen Schwerpunktswellenlänge emittiert,
und jeweils ein Empfänger über die optische Umschalt-
und Verteilvorrichtung einem Messkanal und einem Referenzkanal zugeordnet.
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Zur
Umsetzung einer Mehrkanalmessung können bei nicht dargestellten
Ausführungsbeispielen mehrere Sender und Empfänger
mit unterschiedlichen Schwerpunktwellenlängen verwendet
werden, wobei jeweils ein Sender und jeweils ein Empfänger einem
Messkanal und einem Referenzkanal zugeordnet sind. Zudem umfasst
die optische Umschalt- und Verteilvorrichtung mehrere Einkoppelmittel
und Auskoppelmittel, die ebenfalls jeweils einem Messkanal und einem
Referenzkanal zugeordnet sind. Die mehreren Sender, Empfänger,
Einkoppelmittel und Auskoppelmittel sind so angeordnet, dass die
Drehscheibe den mindestens einen ersten Durchlass in Abhängigkeit
von der Drehstellung verschiedenen Messkanälen zuordnen
kann und die Antriebsachse den mindestens einen zweiten Durchlass
in Abhängigkeit von der Drehstellung verschiedenen Referenzkanälen
zuordnen kann. Die Anordnung kann so ausgeführt sein, dass
parallele Messungen mit unterschiedlichen Schwerpunktwellenlängen
möglich sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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