DE102022132783A1 - Process sensor with optical measuring principle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prozesssensor mit optischem Messprinzip, umfassend einen Strahlungssender (5) und einen Strahlungsempfänger (6), wobei in den Gehäuseabschnitten (2a, 2b) in Strahlungsrichtung im Bereich hinter dem Strahlungssender (5) und in Strahlungsrichtung im Bereich vor dem Strahlungsempfänger (6) jeweils ein Fensterbereich (10) angeordnet ist.Erfindungsgemäß sind die beiden Fensterbereiche (10) jeweils als Baugruppe, bestehend aus einem transparenten Fenster (11), einem außenkonischen Kunststoffring (12) und einem metallischen Rahmenelement (13), ausgebildet und jeweils zum Medium hin frontbündig in den Gehäuseabschnitten (2a, 2b) angeordnet sind, wobei die Baugruppen jeweils in Öffnungen der Gehäuseabschnitte (2a, 2b) angeordnet sind, die zum Medium hin eine zum außenkonischen Kunststoffring (12) komplementäre innenkonische Kontur aufweisen, und wobei der Kunststoffring (12) und das metallische Rahmenelement (13) jeweils derart hintereinander angeordnet sind, dass beim Einführen der Baugruppen in die jeweiligen Öffnungen der Gehäuseabschnitte (2a, 2b) eine in Mediumsrichtung entstehende axiale Kraft aufgrund der Konuskontur in eine radiale Richtung umgeleitet wird, so dass die Baugruppen zum Medium hin eine maximale Verpressung erfahren und damit in den jeweiligen Gehäuseabschnitten (2a, 2b) druckfest und spaltfrei angeordnet sind.The invention relates to a process sensor with an optical measuring principle, comprising a radiation transmitter (5) and a radiation receiver (6), wherein a window region (10) is arranged in the housing sections (2a, 2b) in the radiation direction in the area behind the radiation transmitter (5) and in the radiation direction in the area in front of the radiation receiver (6). According to the invention, the two window regions (10) are each designed as an assembly consisting of a transparent window (11), an externally conical plastic ring (12) and a metallic frame element (13), and are each arranged flush with the front of the medium in the housing sections (2a, 2b), wherein the assemblies are each arranged in openings in the housing sections (2a, 2b), which have an internally conical contour complementary to the externally conical plastic ring (12) towards the medium, and wherein the plastic ring (12) and the metallic frame element (13) are each arranged one behind the other in such a way that when the assemblies are inserted into the respective openings in the housing sections (2a, 2b) an axial force arising in the direction of the medium is redirected in a radial direction due to the cone contour, so that the assemblies experience maximum compression towards the medium and are thus arranged in the respective housing sections (2a, 2b) in a pressure-tight and gap-free manner.

Description

Die Erfindung betrifft einen der Prozesssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a process sensor according to the preamble of claim 1.

Prozesssensoren mit optischem Messprinzip, insbesondere Trübungssensoren und Prozessrefraktometer, sind dafür vorgesehen, ein Medium, insbesondere eine Flüssigkeit, hinsichtlich der optischen Eigenschaften zu analysieren. Bei Trübungssensoren steht dabei die Bestimmung des Anteils an Schwebstoffen im Mittelpunkt. Ein Strahlungssender sendet Licht, insbesondere infrarotes Licht, durch das Medium hindurch zu einem Strahlungsempfänger. Durch Schwebstoffe im Medium wird das Licht aufgrund von Streulichtbildung und Absorption gedämpft, so dass die vom Strahlungsempfänger empfangene Strahlungsintensität ein Maß für die Trübung des Mediums ist.Process sensors with an optical measuring principle, in particular turbidity sensors and process refractometers, are designed to analyze a medium, in particular a liquid, in terms of its optical properties. The focus of turbidity sensors is determining the proportion of suspended matter. A radiation transmitter sends light, in particular infrared light, through the medium to a radiation receiver. Suspended matter in the medium dampens the light due to scattered light formation and absorption, so that the radiation intensity received by the radiation receiver is a measure of the turbidity of the medium.

Ein typisches Anwendungsgebiet von Trübungssensoren sind wasserführende Haushaltsgeräte, wie z.B. Geschirrspüler oder Waschmaschinen. Häufig sind dabei der Strahlungssender und der Strahlungsempfänger gegenüberliegend an den Schenkeln eines im Wesentlichen U-förmig ausgebildeten Trägers angeordnet. In Strahlungsrichtung im Bereich hinter dem Strahlungssender und in Strahlungsrichtung im Bereich vor dem Strahlungsempfänger ist jeweils ein Fensterbereich angeordnet. Ein solcher Trübungssensor ist bspw. aus DE 102006052892 A1 bekannt.A typical application area for turbidity sensors is water-conducting household appliances, such as dishwashers or washing machines. The radiation transmitter and the radiation receiver are often arranged opposite each other on the legs of a carrier that is essentially U-shaped. A window area is arranged in the radiation direction in the area behind the radiation transmitter and in the radiation direction in the area in front of the radiation receiver. Such a turbidity sensor is made, for example, from DE 102006052892 A1 known.

Anders als bei Haushaltsgeräten kann es in der Prozess- und Automatisierungstechnik vor allem in der Lebensmittelindustrie auf die Einhaltung von speziellen Hygienerichtlinien ankommen. Dabei geht es vor allem um das Sicherstellen eines zuverlässigen, automatisierten Reinigungsvorgangs (CIP - Cleaning in Place). Nicht- oder schlecht-reinigbare Bereiche am Sensor, die bspw. durch Toträume und Spalte entstehen können, sind unbedingt zu vermeiden bzw. nicht erlaubt.Unlike household appliances, in process and automation technology, especially in the food industry, compliance with special hygiene guidelines can be important. The main focus here is on ensuring a reliable, automated cleaning process (CIP - Cleaning in Place). Areas on the sensor that cannot be cleaned or are difficult to clean, which can arise from dead spaces and gaps, for example, must be avoided at all costs or are not permitted.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Prozesssensor mit optischem Messprinzip vorzuschlagen, der mit einfachen konstruktiven Maßnahmen für den Einsatz in Hygieneanwendungen geeignet ist.The object of the invention is to propose a process sensor with an optical measuring principle which, with simple design measures, is suitable for use in hygiene applications.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Prozesssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention by a process sensor having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß sind die beiden Fensterbereiche hinter dem Strahlungssender bzw. vor dem Strahlungsempfänger jeweils als Baugruppe, bestehend aus einem transparenten Fenster, einem außenkonischen Kunststoffring und einem metallischen Rahmenelement, ausgebildet und jeweils zum Medium hin frontbündig in den Gehäuseabschnitten angeordnet.According to the invention, the two window areas behind the radiation transmitter and in front of the radiation receiver are each designed as an assembly consisting of a transparent window, an externally conical plastic ring and a metallic frame element, and are each arranged flush with the front of the medium in the housing sections.

Vorteilhafterweise ist der Strahlungssender als Leuchtdiode und der Strahlungsempfänger als Photodiode ausgebildet. Statt der Photodiode ist grundsätzlich auch ein Fototransistor denkbar. Das metallische Rahmenelement besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung. Denkbar sind aber grundsätzlich alle metallischen, übergangsmetallischen und halbmetallische Materialien. Für das Fenster bietet sich als Material vor allem Saphir an, weil es gegenüber Glas deutlich härter ist, nicht splittert, aber ansonsten dieselben optischen Eigenschaften wie Glas aufweist. Aber auch eine optisch transparente Keramik bietet sich als Material für das Fenster grundsätzlich an.The radiation transmitter is advantageously designed as a light-emitting diode and the radiation receiver as a photodiode. Instead of the photodiode, a phototransistor is also conceivable. The metallic frame element is preferably made of stainless steel or an iron-nickel-cobalt alloy. However, all metallic, transition-metallic and semi-metallic materials are conceivable. Sapphire is the most suitable material for the window because it is much harder than glass, does not splinter, but otherwise has the same optical properties as glass. But optically transparent ceramic is also a suitable material for the window.

Die Baugruppen sind jeweils in Öffnungen der Gehäuseabschnitte angeordnet, die zum Medium hin eine zum außenkonischen Kunststoffring komplementäre innenkonische Kontur aufweisen. Der Kunststoffring und das metallische Rahmenelement sind dabei jeweils derart hintereinander angeordnet, dass beim Einführen der Baugruppen in die jeweiligen Öffnungen der Gehäuseabschnitte eine in Mediumsrichtung entstehende axiale Kraft aufgrund der Konuskontur in eine radiale Richtung umgeleitet wird, so dass die Baugruppen zum Medium hin eine maximale Verpressung erfahren und damit in den jeweiligen Gehäuseabschnitten druckfest und spaltfrei angeordnet sind.The assemblies are each arranged in openings in the housing sections, which have an inner conical contour towards the medium that complements the outer conical plastic ring. The plastic ring and the metal frame element are arranged one behind the other in such a way that when the assemblies are inserted into the respective openings in the housing sections, an axial force that arises in the direction of the medium is diverted in a radial direction due to the conical contour, so that the assemblies experience maximum compression towards the medium and are thus arranged in the respective housing sections in a pressure-tight and gap-free manner.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein solcher Prozesssensor, welcher bevorzugt als Trübungssensor oder als Prozessrefraktometer ausgeführt ist, mit vergleichsweise einfachen Maßnahmen den Richtlinien der der European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) genügt, d.h. für Hygieneanwendungen geeignet ist, und problemlos auch bei höheren Mediumstemperaturen bis etwa 125°C einsetzbar ist.The advantage of the invention is that such a process sensor, which is preferably designed as a turbidity sensor or as a process refractometer, satisfies the guidelines of the European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) with comparatively simple measures, i.e. is suitable for hygienic applications, and can also be used without problems at higher medium temperatures up to about 125°C.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

  • 1 einen erfindungsgemäßen Prozesssensor in Form eines Trübungssensors;
  • 2 ein Schnittbild einer Sensorspitze des erfindungsgemäßen Trübungssensors und
  • 3 eine vergrößerte Darstellung eines Gehäuseabschnitts der Sensorspitze des erfindungsgemäßen Trübungssensors.
They show schematically:
  • 1 a process sensor according to the invention in the form of a turbidity sensor;
  • 2 a sectional view of a sensor tip of the turbidity sensor according to the invention and
  • 3 an enlarged view of a housing section of the sensor tip of the turbidity sensor according to the invention.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference numerals designate like or comparable components.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Prozesssensor in Form eines Trübungssensors 1 in Seitenansicht von außen dargestellt. Der Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 2, wobei ein Teil des Gehäuses 2 ein Prozessanschluss 2 in Form eines Außengewindes ist, mit dem der Sensor 1 mit einem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter, d.h. einer Rohrleitung, einem Tank oder dergleichen, verbunden wird. Zumeist erfolgt diese Verbindung mittels eines an den Behälter angeformten Flansches oder eines entsprechenden Adapters. Die Gehäuse- bzw. Sensorspitze 1a ragt entsprechend in den Behälter und damit das Medium hinein. Die Sensorspitze 1a weist im Bereich von zwei Gehäuseabschnitten 2a, 2b eine schlitzartige Ausnehmung auf, welche die eigentliche Messumgebung darstellt. Das zu messende Medium befindet sich dann in dieser Ausnehmung und damit im Strahlengang 7 zwischen einem im ersten Gehäuseabschnitt 2a befindlichen Strahlungssender 5 und einen im zweiten Gehäuseabschnitt 2b befindlichen Strahlungsempfänger 6.In 1 a process sensor according to the invention in the form of a turbidity sensor 1 is shown in a side view from the outside. The sensor 1 comprises a housing 2, part of the housing 2 being a process connection 2 in the form of an external thread, with which the sensor 1 is connected to a container containing the medium to be measured, i.e. a pipeline, a tank or the like. This connection is usually made by means of a flange molded onto the container or a corresponding adapter. The housing or sensor tip 1a protrudes into the container and thus into the medium. The sensor tip 1a has a slot-like recess in the area of two housing sections 2a, 2b, which represents the actual measuring environment. The medium to be measured is then located in this recess and thus in the beam path 7 between a radiation transmitter 5 located in the first housing section 2a and a radiation receiver 6 located in the second housing section 2b.

Der Trübungssensor 1 ist vorliegend als sogenanntes Transmittergerät dargestellt, welches keinerlei Anzeige- oder Bedieneinheit aufweist und lediglich über einen Steckeranschluss 3 ein dem Messergebnis entsprechendes analoges Spannungs- oder Stromsignal ausgibt, das einer übergeordneten Steuereinheit, bspw. einer SPS zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zur Verfügung gestellt wird.The turbidity sensor 1 is shown here as a so-called transmitter device, which has no display or operating unit and only outputs an analog voltage or current signal corresponding to the measurement result via a plug connection 3, which is made available to a higher-level control unit, e.g. a PLC, for further processing and evaluation.

Der in 1 sowie den nachfolgenden Figuren dargestellte Trübungssensor 1 ist jeweils als Transmissionsmesser, auch als Turbidimeter bezeichnet, dargestellt. Die Erfindung umfasst darüber hinaus auch Messgeräte für die Streulichtmessung, auch als Nephelometer bezeichnet.The 1 and the following figures, is shown as a transmission meter, also referred to as a turbidimeter. The invention also includes measuring devices for measuring scattered light, also referred to as nephelometers.

2 zeigt ein Schnittbild der Sensorspitze 1a des erfindungsgemäßen Trübungssensors 1. In den Gehäuseabschnitten 2a, 2b in Strahlungsrichtung im Bereich hinter dem Strahlungssender 5 und in Strahlungsrichtung im Bereich vor dem Strahlungsempfänger 6 ist jeweils ein Fensterbereich 10 angeordnet, durch den der Strahlengang 7 verläuft. Die vom Strahlungsempfänger 6 empfangene Strahlungsintensität kann dann als ein Maß für die Trübung des Mediums ausgewertet werden. 2 shows a sectional view of the sensor tip 1a of the turbidity sensor 1 according to the invention. In the housing sections 2a, 2b in the radiation direction in the area behind the radiation transmitter 5 and in the radiation direction in the area in front of the radiation receiver 6, a window area 10 is arranged through which the beam path 7 runs. The radiation intensity received by the radiation receiver 6 can then be evaluated as a measure of the turbidity of the medium.

3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Sensorspitze 1 a des erfindungsgemäßen Trübungssensors 1. Die beiden Fensterbereiche 10 sind jeweils als Baugruppe ausgebildet, die aus einem Saphirfenster 11, einem außenkonischen Kunststoffring 12 und einem metallischen Rahmenelement 13 bestehen. Zum Medium hin sind die Baugruppen frontbündig in den Gehäuseabschnitten 2a, 2b angeordnet. Zwischen den Baugruppen befindet sich im Strahlengang 7 von Strahlungssender 5 zu Strahlungsempfänger 6 das zu messende Medium. 3 shows an enlarged view of the sensor tip 1 a of the turbidity sensor 1 according to the invention. The two window areas 10 are each designed as an assembly consisting of a sapphire window 11, an externally conical plastic ring 12 and a metallic frame element 13. The assemblies are arranged flush with the front of the housing sections 2a, 2b towards the medium. The medium to be measured is located between the assemblies in the beam path 7 from the radiation transmitter 5 to the radiation receiver 6.

Zur Aufnahme der Baugruppen weisen die Gehäuseabschnitte 2, 2b jeweils eine Öffnung auf. Dabei weist die Öffnung zum Medium hin eine zum außenkonischen Kunststoffring 12 komplementäre innenkonische Kontur auf. Der Kunststoffring 12 und das metallische Rahmenelement 13 sind jeweils derart hintereinander angeordnet sind, dass beim Einführen der Baugruppen in die jeweiligen Öffnungen der Gehäuseabschnitte 2a, 2b eine in Mediumsrichtung entstehende axiale Kraft aufgrund der Konuskontur in eine radiale Richtung umgeleitet wird. In Folge dessen erfahren die Baugruppen zum Medium hin eine maximale Verpressung und sind damit in den jeweiligen Gehäuseabschnitten 2a, 2b druckfest und spaltfrei angeordnet. Der Trübungssensor 1 ist damit für Hygieneanwendungen geeignet und problemlos auch bei höheren Mediumstemperaturen bis etwa 125°C einsetzbar.The housing sections 2, 2b each have an opening to accommodate the assemblies. The opening towards the medium has an inner conical contour that complements the outer conical plastic ring 12. The plastic ring 12 and the metallic frame element 13 are each arranged one behind the other in such a way that when the assemblies are inserted into the respective openings of the housing sections 2a, 2b, an axial force that arises in the direction of the medium is diverted in a radial direction due to the conical contour. As a result, the assemblies experience maximum compression towards the medium and are thus arranged in the respective housing sections 2a, 2b in a pressure-tight and gap-free manner. The turbidity sensor 1 is therefore suitable for hygiene applications and can also be used without any problems at higher medium temperatures of up to around 125°C.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
TrübungssensorTurbidity sensor
1a1a
SensorspitzeSensor tip
22
GehäuseHousing
2a2a
GehäuseabschnittHousing section
2b2 B
GehäuseabschnittHousing section
33
SteckeranschlussPlug connection
44
ProzessanschlussProcess connection
55
StrahlungssenderRadiation transmitter
66
StrahlungsempfängerRadiation receiver
77
StrahlengangBeam path
1010
FensterbereichWindow area
1111
SaphirfensterSapphire window
1212
KunststoffringPlastic ring
1313
RahmenelementFrame element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102006052892 A1 [0003]DE 102006052892 A1 [0003]

Claims (6)

Prozesssensor mit optischem Messprinzip, umfassend einen Strahlungssender (5) und einen Strahlungsempfänger (6), die derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen Strahlengang (7) zur Messung der Trübung eines sich im Strahlengang (7) befindlichen Mediums bilden, und der Strahlungssender (5) und der Strahlungsempfänger (6) in Gehäuseabschnitten (2a, 2b) aufgenommen sind, wobei in den Gehäuseabschnitten (2a, 2b) in Strahlungsrichtung im Bereich hinter dem Strahlungssender (5) und in Strahlungsrichtung im Bereich vor dem Strahlungsempfänger (6) jeweils ein Fensterbereich (10) angeordnet ist und die durch den Strahlungsempfänger (6) empfangene Strahlungsintensität ein Maß für die Trübung des Mediums ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fensterbereiche (10) jeweils als Baugruppe, bestehend aus einem transparenten Fenster (11), einem außenkonischen Kunststoffring (12) und einem metallischen Rahmenelement (13), ausgebildet und jeweils zum Medium hin frontbündig in den Gehäuseabschnitten (2a, 2b) angeordnet sind, wobei die Baugruppen jeweils in Öffnungen der Gehäuseabschnitte (2a, 2b) angeordnet sind, die zum Medium hin eine zum außenkonischen Kunststoffring (12) komplementäre innenkonische Kontur aufweisen, und wobei der Kunststoffring (12) und das metallische Rahmenelement (13) jeweils derart hintereinander angeordnet sind, dass beim Einführen der Baugruppen in die jeweiligen Öffnungen der Gehäuseabschnitte (2a, 2b) eine in Mediumsrichtung entstehende axiale Kraft aufgrund der Konuskontur in eine radiale Richtung umgeleitet wird, so dass die Baugruppen zum Medium hin eine maximale Verpressung erfahren und damit in den jeweiligen Gehäuseabschnitten (2a, 2b) druckfest und spaltfrei angeordnet sind.Process sensor with an optical measuring principle, comprising a radiation transmitter (5) and a radiation receiver (6), which are arranged in relation to one another in such a way that they form a beam path (7) for measuring the turbidity of a medium located in the beam path (7), and the radiation transmitter (5) and the radiation receiver (6) are accommodated in housing sections (2a, 2b), wherein a window region (10) is arranged in each of the housing sections (2a, 2b) in the radiation direction in the area behind the radiation transmitter (5) and in the radiation direction in the area in front of the radiation receiver (6), and the radiation intensity received by the radiation receiver (6) is a measure of the turbidity of the medium, characterized in that the two window regions (10) are each designed as an assembly consisting of a transparent window (11), an externally conical plastic ring (12) and a metallic frame element (13), and are each arranged flush with the front of the medium in the housing sections (2a, 2b), wherein the assemblies are each in Openings of the housing sections (2a, 2b) are arranged which have an inner conical contour towards the medium that is complementary to the outer conical plastic ring (12), and wherein the plastic ring (12) and the metallic frame element (13) are each arranged one behind the other in such a way that when the assemblies are inserted into the respective openings of the housing sections (2a, 2b), an axial force arising in the direction of the medium is diverted in a radial direction due to the conical contour, so that the assemblies experience maximum compression towards the medium and are thus arranged in the respective housing sections (2a, 2b) in a pressure-tight and gap-free manner. Prozesssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssender (5) als Leuchtdiode und der Strahlungsempfänger (6) als Photodiode ausgebildet ist.Process sensor according to Claim 1 , characterized in that the radiation transmitter (5) is designed as a light-emitting diode and the radiation receiver (6) is designed as a photodiode. Prozesssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Rahmenelement (13) aus Edelstahl oder einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung besteht.Process sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic frame element (13) consists of stainless steel or an iron-nickel-cobalt alloy. Prozesssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesssensor als Trübungssensor oder als Prozessrefraktometer ausgeführt ist.Process sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the process sensor is designed as a turbidity sensor or as a process refractometer. Prozesssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trübungssensor als Turbidimeter oder als Nephelometer ausgeführt ist.Process sensor according to Claim 4 , characterized in that the turbidity sensor is designed as a turbidimeter or as a nephelometer. Prozesssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (11) aus Saphir oder einer optisch transparenten Keramik besteht.Process sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the window (11) consists of sapphire or an optically transparent ceramic.
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