DE19843841C2 - Meßzelle für fotometrische Messungen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, den Anteil bestimmter Stoffe an strömenden Medien, beispielsweise Flüssigkeiten, dadurch zu messen, dass die Absorption eines Lichtstrahls einer bestimmten Wellenlän­ ge gemessen wird. Hierzu sind Messzellen bekannt. Die Schwie­ rigkeiten bestehen darin, dass die Strömung einerseits mög­ lichst wenig beeinträchtigt werden soll und andererseits eine Messung in situ erfolgen soll.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Erkennen von Funken in einem durchströmten Raum bekannt, bei dem ein Lichtwellen­ leiter und ein Photoempfänger einander gegenüberliegen. Ihr Abstand entspricht dem Durchmesser des durchströmten Raums (DE 40 36 041 C2).

Weiterhin bekannt ist ein Verfahren zur Feststellung von Änderungen der Lichtintensität in einem Kanal, durch den ein Fluid strömt (EP 694 770 A1). Hierzu werden Lichtwellenleiter verwendet.

Ebenfalls bekannt ist ein Spektralphotometer (DE 41 12 528 C2), bei dem Licht durch eine Meßküvette auf einen photoelek­ trischen Detektor gerichtet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messzelle zu schaffen, mittels deren Hilfe bestimmte Eigenschaften strö­ mender Medien in situ ohne Beeinträchtigung der Strömung gemessen werden körnen. Die Messzelle soll insbesondere anwendbar sein bei Flüssigkeiten, in denen ein Gas gelöst ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Messzel­ le mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren Wortlaut ebenso wie der Wortlaut der Zuammenfassung durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.

Die von der Erfindung vorgeschlagene Messzelle wird in eine Leitung eingesetzt, durch die das Medium strömt. Ein opti­ sches Signal, beispielsweise ein Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge, wird so erzeugt, dass er aus dem Sendefenster durch das Medium in das Empfangsfenster eintritt. Die Dicke der Schicht des Mediums, die zwischen dem Sendefenster und dem Empfangsfenster vorhanden ist, kann so auf das Medium und die Messung abgestimmt werden, dass man gute Messergebnisse erhält. Der Durchgang wird andererseits so dimensioniert, dass keine Beeinflussung der Strömung stattfindet.

Insbesondere kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass das optisches Signal etwa quer zur Achse des Durchgangs gerichtet ist.

In nochmaliger Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auftrittsfläche des Sendefensters und die Eintrittsfläche des Empfangsfensters gleichen Abstand von der Achse des Durchgangs aufweisen. Damit ist die Schicht, durch die hindurch gemessen wird, in der Mitte des Durchgangs angeordnet, so dass keine Unsymmetrien der Strömung zu einer Unsymmetrie der Messung führen.

Insbesondere kann in Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Sendefenster und das Empfangsfenster identisch bzw. symme­ trisch zueinander ausgebildet und/oder angeordnet sind. Die Rolle des Sendefensters und des Empfangsfensters kann damit auch ausgetauscht werden.

Es kann in Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Sendefen­ ster und/oder das Empfangsfenster einen aus einem strahlungs­ durchlässigen Material bestehenden Stab aufweisen, der durch die Wand des Durchgangs hindurch in das Innere des Durchgangs hineinragt. Die Auftrittsfläche des Sendefensters und die Eintrittsfläche des Empfangsfensters kann dabei insbesondere von dem Ende des Stabs gebildet sein.

Insbesondere kann der Stab zylindrisch ausgebildet sein, also mit einem konstanten Querschnitt längs seiner Länge. Die Querschnittsform kann aus Strömungsgründen insbesondere abgerundet sein, beispielsweise Kreisform. Es kann aber ebenfalls eine elliptische oder etwa elliptische Form vorge­ sehen sein, wobei insbesondere die große Achse in axialer Richtung des Durchgangs angeordnet ist.

Beispielsweise kann der Durchmesser des Stabs höchstens etwa halb so groß wie der Durchmesser des Durchgangs sein, der vorzugsweise kreisförmig ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß können die Auftrittsfläche des Sendefensters und die Eintrittsfläche des Empfangsfensters in parallel zueinander verlaufenden Ebenen liegen.

Um das Anhaften von Gasblasen in einer Flüssigkeit, falls das Medium eine Flüssigkeit ist, zu verhindern, kann die Messzel­ le eine Strömungsleiteinrichtung aufweisen, die so ausgebil­ det ist, dass sie das Anhaften von Gasblasen verhindert.

Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die in den Durchgang ragenden Teile des Sendefensters und/oder des Empfangsfen­ sters eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, die das Anhaften von Gasbläschen verhindert. Es kann sich dabei um die Beschaffenheit des Materials des Fensters selbst, aber auch um eine Beschichtung handeln.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, das Sendefenster und/oder das Empfangsfenster mit Ultraschall zu beaufschlagen, um auf diese Weise das Anhaften von Gasblasen zu verhindern oder haftende Gasblasen abzulösen. Es ist auch möglich, die Beaufschlagung mit Ultraschall intermittierend durchzuführen. Insbesondere dann, wenn die Fenster den erwähnten Stab aufweisen, ist es möglich, an dem Stab einen Ultraschallschwinger anzubringen und dadurch den Stab in Ultraschallschwingungen zu versetzen.

Ebenfalls möglich ist es, den Stab bzw. das Fenster selbst als Ultraschallschwinger auszubilden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Messzelle nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht der Messzelle in Fig. 1 von oben.

Die in Fig. 1 dargestellte Messzelle enthält einen Korpus 1 mit einem durch den Korpus hindurchgeführten kreiszylindri­ schen Durchgang 2. Die Messzelle wird mit nicht näher darge­ stellten Einrichtungen in eine Leitung eingebaut, die ein Medium, das überprüft werden soll, zu einer Verbrauchsstelle für das Medium führt. Beispielsweise kann es sich dabei um Wasser handeln, das einen Anteil an gelöstem Ozon aufweist. Der Anteil an Ozon soll mit der Messzelle gemessen werden. Die Messzelle enthält eine durch die Wand der Messzelle hindurchgeführte abgestufte Bohrung 3, wobei der Teil mit dem größeren Durchmesser zur Außenseite der Messzelle orientiert ist. In die Öffnung 3 ist ein Sendefenster 4 eingesetzt. Das Sendefenster 4 weist einen im dargestellten Beispiel kreiszy­ lindrischen Stab 5 aus Quarz oder Saphir auf. Der Stab 5 weist ein in das Innere des Durchgangs 2 gerichtetes Ende 6 auf, das eine Austrittsfläche bildet. Der Stab 5 ragt über die Innenwand 7 des Durchgangs 2 hinaus in das Innere des Durchgangs 2 hinein. An dem Stab 5 ist ein Ringelement 8 befestigt, beispielsweise festgeklebt. Das Ringelement 8 liegt mit einer ersten Schulter 9 an der Außenseite des Korpus 1 der Messzelle an. Die Position dieser Schulter 9 bestimmt also das Maß, um das das Ende 6 des Stabs 5 in den Durchgang 2 hineinragt.

Zwischen das dem inneren Ende 6 zugeordnete Ende 10 des Ringelements 8 und den Übergang der Bohrung 3 vom größeren zum kleineren Teil wird eine in der Figur nicht dargestellte Dichtung eingesetzt, die eine Abdichtung bewirkt.

Zur Fixierung des Sendefensters 4 ist auf die Außenseite des Korpus 1 eine Platte 11 aufgesetzt, die ebenfalls eine Stufenbohrung aufweist. Auf dem Übergang zwischen dem größe­ ren und kleineren Teil dieser Stufenbohrung liegt die Außen­ seite des Ringelements 8 an. Der Stab 5 selbst ragt bis fast an die Außenseite 12 des Plattenelements 11.

Auf der dem Sendefenster 4 diametral gegenüberliegenden Seite der Messzelle ist eine identisch aufgebaute Einrichtung angeordnet, die ein Empfangsfenster 14 bildet.

In die Außenseite des Sendefensters 4 wird ein von einer Strahlungsquelle 15 kommender Lichtstrahl eingeleitet. Dieser Lichtstrahl 16 geht durch das Sendefenster 4 hindurch und tritt aus dessen Austrittsfläche 6 in den Durchgang 1. Seine Intensität wird durch das Medium zwischen dem Sendefenster 4 und dem Empfangsfenster 14 geschwächt. Der Lichtstrahl tritt dann in das Empfangsfenster 14 ein und aus diesem auf der Außenseite wieder aus. Dort gelangt der Lichtstrahl 16 durch ein Interferenzfilter 17 in einen Empfänger 18.

Zum Herstellen einer Referenzmessung wird ein Teil des aus der Strahlungsquelle 15 austretenden Strahles über einen Strahlteiler 19 durch ein zweites Interferenzfilter 20 auf einen Referenzempfänger 21 geleitet. Aus einem Vergleich der von den beiden Empfängern 18, 21 gelieferten Werte kann man den Anteil beispielsweise von Ozon an dem durch den Durchgang 2 strömenden Wasser messen.

Wie die Fig. 1 zeigt, ist der Abstand zwischen den beiden Enden der beiden Stäbe 5 kleiner als der Durchmesser des Durchgangs, so dass das Medium in einer Schicht gemessen wird, die kleiner ist als der Durchmesser des Durchgangs. Es ist auf diese Weise möglich, die Schichtdicke so zu bestim­ men, dass die für eine bestimmte Messung sinnvolle Schicht­ dicke erreicht wird. Diese Dicke kann unabhängig von dem Durchmesser des Durchgangs eingestellt werden, so dass die Strömung durch den Durchgang praktisch nicht beeinträchtigt wird. Es ist also eine Messung in situ möglich. Durch die beim Vorbeiströmen an den Enden der Stäbe 5 auftretenden Verwirbelungen kann zusätzlich dafür gesorgt werden, dass sich möglicherweise bildende Gasblasen, die zu einer Verfäl­ schung der Messung führen würden, schnell wieder abgelöst werden.

Fig. 2 zeigt eine Stirnansicht. Hierbei ist zu sehen, dass der Durchmesser der beiden Stäbe 5 im dargestellten Beispiel etwa dem halben Durchmesser des Durchgangs 2 entspricht. Es ist selbstverständlich auch möglich, in ihrem Durchmesser kleinere Stäbe 5 zu verwenden.

Die Stäbe 5 sind so angeordnet, dass sie in gegenseitiger axialer Ausrichtung verlaufen, so dass das aus dem einen Stab austretende Licht direkt in den anderen Stab ohne Verluste eintritt.

Claims (11)

1. Messzelle für fotometrische Messungen an strömenden Medien, mit

• 1. 1.1 einem Durchgang (2) für das Medium,
• 2. 1.2 einem Sendefenster (4),
  • 1. 1.2.1 das derart angeordnet ist, dass ein aus ihm austretendes optisches Signal (16) in den Durchgang (2) gerichtet wird,
• 3. 1.3 einem Empfangsfenster (14),
  • 1. 1.3.1 das zum Empfang des aus dem Sendefenster (4) austretenden optischen Signals (16) ausgebil­ det und angeordnet ist, wobei
• 4. 1.4 der Abstand zwischen der Austrittsfläche (6) des Sendefensters (4) und der Eintrittsfläche des Empfangsfensters (14) kleiner ist als der Durchmesser des Durchgangs (2).

2. Messzelle nach Anspruch 1, bei der das optische Signal (16) etwa quer zur Achse des Durchgangs (2) gerichtet ist.

3. Messzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Austritts­ fläche (6) des Sendefensters (4) und die Eintrittsfläche des Empfangsfensters (14) gleichen Abstand von der Achse des Durchgangs (2) aufweisen.

4. Messzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sendefenster (4) und das Empfangsfenster (14) identisch bzw. symmetrisch zueinander ausgebildet und/oder angeordnet sind.

5. Messzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sendefenster (4) und/oder das Empfangsfenster (14) einen aus strahlungsdurchlässigem Material beste­ henden Stab (5) aufweisen, der durch die Wand (7) des Durchgangs (2) hindurchragt.

6. Messzelle nach Anspruch 5, bei der der Stab (5) zylin­ drisch ausgebildet ist.

7. Messzelle nach Anspruch 5 oder 6, bei der der Stab (5) elliptischen Querschnitt aufweist.

8. Messzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der Durchmesser des Stabs (5) höchstens etwa halb so groß wie der Durchmesser des Durchgangs (2) ist.

9. Messzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Austrittsfläche des Sendefensters (4) und die Eintrittsfläche des Empfangsfensters (14) in parallelen Ebenen liegen.

10. Messzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Strömungsleiteinrichtung zum Ablösen von Gas­ blasen.

11. Messzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die in den Durchgang (2) ragenden Teile des Sende­ fensters (4) und/oder des Empfangsfensters (14) eine das Anhaften von Gasbläschen verhindernde Oberflächenbe­ schaffenheit aufweisen.