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Optische Sondenvorrichtung
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für die fotometrische Analyse von in Leitungen stromenden Fluiden
Die Erfindung betrifft eine optische Sondenvorrichtung für die fotometrische Analyse
von in Leitungen strömenden Fluiden, die aus einem topfförmigen Gehäuse besteht,
das mit dem Boden voran in eine entsprechende Öffnung eines Leitungsstückes einsetzbar
und mit einer am offenen Ende befindlichen Vorkehrung mit dem Leitungsstück verbindbar
ist, in dem Öffnungen zum Durchtritt des zu analysierenden Fluids vorgesehen sind
und das im Bereich des Strahlenganges strahlungsdurchlässig ausgebildet ist.
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Derartige Sondenvorrichtungen müssen so beschaffen sein, daß sie unmittelbar
in den Leitungen einer Produktionsanlage eingesetzt werden können. Sie finden beispielsweise
Anwendung in Verbindung mit fotometrischen Betriebsmeßgeräten zur Konzentrationsmessung
der in Leitungen vorzugsweiser chemischer oder nahrungsmitteltechnischer Produktionsanlagen
strömender Fluide.
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Dabei ist es erforderlich, daß die in die Leitung hinein ragende Sondenvorrichtung
von dem zu analysierenden Fluid durchströmt wird. Da Strahlungssender und -empfänger
in einem außerhalb der Leitung angeordneten Betriebsmeßgerät untergebracht sind,
muß die analysierende Strahlung innerhalb der Sondenvorrichtung reflektiert werden
und kreuzt somit zweimal das zu analysierende Fluid.
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Es ist eine optische Sondenvorrichtung der einleitend gekennzeichneten
Gattung bekannt (DE-OS 28 38 396), die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus einem
topfförmigen Gehäuse besteht, das mit dem Boden voran in eine entsprechende Öffnung
eines Leitungsstuckes einsetzbar und mit einem am offenen Ende befindlichen Flansch
mit dem Leitungsstück verbindbar ist, daß in dem Gehäuse parallel zum Boden ein
strahlungsdurchlässiges Fenster gasdicht eingesetzt ist, und danach Öffnungen zum
Durchtritt der Flüssigkeit und ein Strahlungsreflektor vorgesehen sind und auf den
Boden außen eine abziehbare Kappe aufgesetzt ist, die sich nach dem Lösen des Flansches,
beim Heraustreten des Gehäuses aus dem Leitungsstück, über einen nach innen gerichteten
Stutzen an der Öffnung des Leitungsstückes stülpt und diesen dicht verschließt.
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Die bekannte Sondenvorrichtung ist erfindungsgemäß so ausgebildet,
daß sie jederzeit ohne Störung des Produktionsprozesses und ohne große Umstände
einer Reinigung unterzogen werden kann. Diesem Vorteil, der überall dort nicht zum
Tragen kommt, wo die Produktionsanlagen in vorbestimmten Zeitabständen automatisch
im Wege der Durchflussreinigung (CIP-Reinigung) gereinigt werden, stehen erhebliche
Nachteile gegenüber.
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Zum einen ragt die Sondenvorrichtung sehr weit in das zugeordnete
Leitungsstück hinein und verursacht durch seine erhebliche Querschnittsverengung
einen in den meisten Anwendungsfallen nicht tolerierbaren Druckverlust.
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Darüber hinaus wird die analysierende Strahlung innerhalb der Sondenvorrichtung
in einem kavernenartigen Raum, der nur durch die Eintritts- und Austrittsöffnung
mit der Leitung verbunden ist, umgelenkt. In dieser Kaverne werden sich bevorzugt
Verschmutzungen festsetzen, die das Meßergebnis erheblich beeinträchtigen können.
Vor der Ein- und Austrittsöffnung angeordnete Siebe können keine Abhilfe schaffen,
da sie beispielsweise in Leitungen nahrungsmitteltechnischer Anlagen aus sanitären
Gründen nicht anwendbar sind. Durch die zweifache Durchstrahlung des zu analysierenden
Fluids, das heißt bedingt durch die relativ lange mit Medium ausgefüllte Meßstrecke,
ist der Einsatzbereich der bekannten Sondenvorrichtung in Bezug auf hohe Trübungen
von vornherein beschränkt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Sondenvorrichtung
der einleitend beschriebenen Art so auszubilden, daß sie einen geringen Druckverlust
im zugeordneten Leitungsstück verursacht, daß sie insbesondere im Durchfluß leicht
zu reinigen ist und die Messungen hoher Trübungen des zu analysierenden Fluids bei
gleichbleibenden meßtechnischen Bedingungen zuläßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Sondenvorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die einmalige Durchstrahlung des zu analysierenden Fluids und die sich
daraus ergebende kurze Meßstrecke hohe Trübungen noch meßtechnisch erfaßbar sind.
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Die Durchdringung von Fluiden, wie beispielsweise Kondensmilch oder
dicke Hefen mit einer Trübung von mehr als 10 000 EBC (EBC: Vergleichsstandard der
European 8rewery Convention),ist mit der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung möglich.
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Da keine produktbeaufschlagten Reflektoren im Strahlengang erforderlich
sind, ergeben sich auch keine Meßwertverfälschungen durch deren Verschmutzung.
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Eine Weiterbildung der Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung sieht
vor, daß der Meßkanal im Bereich der Wand des Leitungsstückes und mit seiner einen
Begrenzungsfläche mit letzterem bündig abschließend angeordnet, zur Achse des Leitungsstückes
hin offen und mit strömungsgünstiger Ein-und Auslaufkontur ausgebildet ist. Durch
diese rinnenartige Ausbildung des Meßkanals in Wandnähe ergibt sich ein außerordentlich
geringer Druckverlust der gesamten Anordnung. Die Strömung im zugeordneten Leitungsstück
wird nur unwesentlich beeinflußt; die Durchflußreinigung der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung
gestaltet sich außerordentlich einfach und wirkungsvoll. Die strömungsgünstige Formgebung
des Meßkanals ergibt eine insbesondere für lebensmitteltechnische Anwendungen vorteilhafte
schatten-und totraumfreie Reinigung. Durch die zur Achse des Leitungsstückes hin
offene Rinne ist neben der unbehinderten axialen Durchströmung der Meßstrecke auch
ein Strömungsaustausch in radialer Richtung gegeben. Dieser Queraustausch gestaltet
sich um so wirkungsvoller, je turbulenter die Strömung im Bereich der Sondenvorrichtung
ist. Von diesem turbulenten Queraustausch kann in fast allen technisch relevanten
Anwendungsfällen ausgegangen werden. Einerseits besteht, wie vorstehend bereits
beschrieben, die Forderung nach einem möglichst geringen Druckverlust der Sondenvorrichtung
innerhalb des Leitungsstückes. Andererseits ist aber dieser Druckverlust in Verbindung
mit den Reibungskräften, die von der Hauptströmung auf die Strömung im Meßkanal
ausgeübt werden, für die Ausbildung einer Strömung im Meßkanal verantwortlich. Damit
ist die Bemessung des Meßkanals eine Optimierungsaufgabe.
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Als geometrische Einflußgrößen kommen die Länge, die Bereite und die
Tiefe des Meßkanals, sowie insbesondere dessen Einlaufgestaltung, infrage.
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Um strahlungsdurchlässige Fenster, die in der Regel Abdichtungsprobleme
mit sich bringen, zu vermeiden, ist nach einer anderen Weiterbildung der Sondenvorrichtung
gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Boden des Gehäuses wenigstens im Bereich
des Meßkanals einen hohen Transmissionsgrad für die zu analysierende Strahlung aufweist.
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Die Miniaturisierung der Strahlungssender- und Strahlungsempfängerdiode
macht es nach einer anderen Weiterbildung der Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung
möglich, daß durch den Boden vom zu analysierenden Fluid getrennt auf der einen
Seite des Meßkanals ein Strahlungssender und auf der anderen Seite ein Strahlungsempfänger
angeordnet ist.
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Die Auswerteelektronik für den Strahlungssender und den -empfänger
wird dabei zweckmäßigerweise von diesen getrennt in einem Gehäuse außerhalb des
Leitungsstückes untergebracht. Das Gehäuse der Auswerteelektronik und das Gehäuse
der Sondenvorrichtung bilden dabei in vorteilhafter Weise ein Bauteil aus einem
Stück.
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Durch die bezogen auf das Lei/tungsstück einseitige Unterbringung
von Strahlungssender- und Strahlungsempfängerdiode in einem räumlich miteinander
verbundenen Gehäuse herrschen für beide gleiche Temperaturverhältnisse. Eine Kompensation
der Raumtemperatur zur Erhaltung 9leichter Meßbedingungen für Sender- und Empfängerdiode
entfällt.
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Der konstante und vom Durchmesser des Leitungsstückes unabhängige
Abstand von Strahlungssender- und-empfänger ergibt eine gleichbleibende meßtechnische
Gerätekonstante, aus der eine hohe Funktionsgenauigkeit der gesamten Anordnung resultiert.
Darüber hinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung der Vorteil,
daß ein Auswechseln der Elektronik ohne Öffnen des Leitungsstückes (Produktraum)
möglich ist.
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Falls Strahlungssender und -empfänger auf der Platine der Auswerteelektronik
außerhalb des Leitungsstückes angeordnet werden, ist nach einer anderen vorteilhaften
Weiterbildung der Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen, daß beiderseits
des Meßkanals der Boden derart dachförmig unter zwei um 45 Grad geneigten Flächen
abfällt, daß einerseits die vom Strahlungssender emittierte Strahlung an der ersten
Fläche in den Meßkanal und die aus dem Meßkanal andererseits austretende Strahlung
an der zweiten Fläche in den Strahlungsempfänger reflektiert wird. Diese Anordnung
ist beispielsweise dann angezeigt, wenn es aufgrund der Betriebsbedingungen nicht
zweckmäßig ist, Strahlungssender und -empfänger unmittelbar im Bereich des Meßkanals
anzuordnen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Sondenvorrichtung gemäß der
Erfindung enden Lichtleiter beiderseits des Meßkanals. Strahlungssender und -empfänger
befinden sich dabei im Gehäuse der Auswerteelektronik und sind mit je einem Lichtleiter
gekoppelt.
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Eine andere Ausgestaltung der Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung
sieht vor, daß die Lichtleiter in das Leitungsstück hineingeführt sind und dort
zwischen ihren Stirnflächen, die zueinander parallel und in Strömungsrichtung ausgerichtet
sind, eine Meßstrecke begrenzen. Diese Anordnung macht die rinnenförmige Ausbildung
des Meßkanals im Boden des Gehäuses überflüssig.
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Abdichtungsprobleme und der damit verbundene konstruktive Aufwand
werden vermieden, wenn nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Sondenvorrichtung
gemäß der Erfindung die Lichtleiter stoffschlüssig durch die Wand des Leitungsstuckes
hindurchgeführt sind.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Sondenvorrichtung gemäß der
Erfindung sind der Strahlungssender nd der
empfänger die Lichtleiter /stoffschlussig über eine lusslg über eine Vergußmasse
oder kraftschlüssig im Boden eingebettet, wodurch deren eindeutige und unverrückbare
Anordnung sichergestellt ist.
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Es ist nach einer anderen Weiterbildung der Sondenvorrichtung gemäß
der Erfindung vorgesehen, Strahlungssender und -empfänger mit naher Infrarotstrahlung,
das heißt im Wellenlängenbereich zwischen 7,8x10-7 und 1,4x10-6 m zu betreiben.
Dieses ist deshalb von Vorteil, weil Sende- und Empfangsbauteile für nahe Infrarotstrahlung
relativ preiswert herstellbar sind und sich besonders zur Übertragung eines schnellen
Informationsflusses eignen.
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Um eine eindeutige und unverfälschte fotometrische Analyse des in
der Leitung strömenden Fluids sicherzustellen (Dombildung und die damit in diesem
Bereich oftmals verbundene Gasansammlung muß in jedem Falle verhindert werden),
ist nach einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung
vorgesehen, das topfförmige Gehäuse senkrecht von unten oder waagerecht von der
Seite in der Öffnung des waagerecht ausgerichteten Leitungsstückes anzuordnen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch
eine optische Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung; Figur 2 eine halbe Draufsicht
auf die Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei das Leitungsstück mittig aufgeschnitten
ist; Figur 3 eine Seitenansicht der mittig geschnittenen Draufsicht gemäß Figur
2;
Figur 4 einen zur Hälfte dargestellten Querschnitt einer Weiterbildung
der Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei zwei im Strahlengang angeordnete,
um 45 Grad geneigte Flächen die Strahlung um 2x90 Grad total reflektieren; Figur
5 einen zur Hälfte dargestellten Querschnitt einer anderen Weiterbildung der Sondenvorrichtung
gemäß der Erfindung mit im Strahlengang angeordneten Lichtleitern und
Figur 6 andere Weiterbildung der Sondenvorrichtung gemäß der Erfindung mit Lichtleitern,
die in das Leitungsstück hineingeführt sind.
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An einem Leitungsstück 2 (Figur 1) ist eine mit einem Leitungsflansch
2a versehene öffnung ausgebildet. Eine Sondenvorrichtung weist ein topfförmiges
Gehäuse 1 auf, das mit einem Boden 1a voran in die Öffnung des Leitungsstückes 2
einsetzbar ist.
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Für die gegenseitige Abdichtung sorgt eine Dichtung 3.
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An dem Gehäuse 1 ist ein Gehäuseflansch 1d ausgebildet, der mit dem
zugeordneten Leitungsflansch 2a über Verbindungsmittel 4 verbunden ist. Das Gehäuse
1 setzt sich außerhalb des Leitungsstückes 2 fort und erweitert sich in ein Gehäuse
für die Auswerteelektronik le. Der Boden 1a des Gehäuses 1 weist einen zur Achse
des Leitungsstückes 2 parallel verlaufenden Meßkanal 1b auf, der im Bereich der
Wand des Leitungsstückes 2 und mit seiner einen Begrenzungsfläche mit letzterem
bündig abschließend angeordnet, zur Achse des Leitungsstückes 2 hin offen und mit
strömungsgünstiger Einlauf- und Auslaufkontur 1c ausgebildet ist.
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Auf der einen Seite des Meßkanal 1 b und durch den Boden 1 a von diesem
getrennt ist ein Strahlungssender 5 angeordnet.
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Auf der anderen Seite befindet sich, in gleicher Weise angeordnet,
ein Strahlungsempfänger 6. Sowohl der Strahlungssender 5, als auch der -empfänger
6 befinden sich auf
Platinen 7, die einerseits bis in den Boden
la des Gehäuse ses 1 hineinragen und andererseits mit der Platine 7 im Gehäuse für
die Auswerteelektronik le verbunden sind.
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Strahlungssender und - empfänger 5 bzw. 6 sind derart angeordnet,
daß der ihr Strahlungszentrum verbindende Strahlung gang S1 (Figur 1) von dem Boden
des rinnenförmigen Meßkanals 1b einen Abstand a besitzt (Figur3). Der Meßkanal 1b
besitzt insgesamt eine Tiefe t und im Bereich des Strahlenganges S1 eine Breite
b. Seine Eintrittsbreite b1 an jener Stelle, an der er gerade noch die maximale
Tiefe t besitzt, ist aus Figur 2 ersichtlich.
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In Figur 3 ist das ungestörte turbulente Strömungsprofil c(y) innerhalb
des Leitungsquerschnittes R dargestellt. Man erkennt, daß die im Wandabstand a vorliegende
Strörnungsgeschwindigkeit c(a) etwas kleiner als die mittlere Geschwindigkeit c
m cm ist. Letztere wiederum ist ca. 16 Prozent kleiner als die im Zentrum des Leitungsstückes
vorliegende maximale Geschwindigkeit c max Im am stärksten von der Sondenvorrichtung
verengten Querschnitt M ergibt sich eine nicht dargestellte Geschwinigkeitsverteilung,
die gegenüber der Geschwindigkeitsverteilung im ungestörten Querschnitt R im Verhältnis
der Querschnittsverminderung erhöht ist. Diese Geschwindigkeitserhöhung trägt dazu
bei, daß die im Meßkanal 1b zu erwartende Geschwindigkeitsreduzierung infolge des
erhöhten Wandeinflusses etwas geringer ausfällt, als dieses bei nicht verengtem
Querschnitt M der Fall wäre. Daher liegt nåherungsweise im Bereich des Strahlenganges
S1 die Geschwindigkeit c(a) der ungestörten Strömung vor, die annähernd etwa so
groß wie die mittlere Geschwindigkeit c ist. Diese Situam tionsbeschreibung soll
zeigen, daß die Strömung im Meßkanal ib näherungsweise der mittleren Geschwindigkeit
c m im ungestörten Querschnitt entspricht. Da außerdem turbulenter Queraustausch
zwischen der Strömung im Zentrum des Leitungsstückes 2 und dem Meßkanal 1 b vorausgesetzt
werden kann, ist die Strömung im Meßkanal lb näherungsweise auch repräsentativ für
die Strömung im Leitungsstück 2.
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Falls Strahlungssender und -empfänger 5 bzw. 6 auf der Platine 7 im
Gehäuse der Auswerteelektronik le angeordnet sind, kann die vom Strahlungssender
5 emittierte Strahlung über eine auf der entsprechenden Seite des Meßkanals 1 b
unter 45 Grad geneigt angeordnete erste Fläche 1f total in den Meßkanal 1b reflektiert
werden (Figur 4). Die aus dem Meßkanal 1b andererseits austretende Strahlung wird
über eine unter 45 Grad geneigte Fläche 1g in den Strahlungsempfänger 6 total reflektiert
(Strahlengang S2) In Figur 5 sind Lichtleiter 8 bzw. 9 in den Strahlengang 1 eingeschaltet.
Der erste Lichtleiter 8, der über ein geeignetes Verbindungsmittel 10a mit dem Strahlungssender
5 gekoppelt sein kann, lenkt die emittierte Strahlung in den Meßkanal 1b hinein
(Strahlengang 51) Die aus dem Meßkanal 1b andererseits austretende Strahlung wird
über einen zweiten Lichtleiter 9 dem Strahlungsempfänger 6, mit dem er über ein
Verbindungsmittel 1Ob gekoppelt sein kann, zugeführt.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Boden 1a des Gehäuses 1 wenigstens
im Bereich des Meßkanals ib derart beschaffen ist, daß er einen hohen Transmissionsgrad
für die zu analysierende Strahlung aufweist, und daß, abhängig von der jeweiligen
Ausführungsform der Sondenvorrichtung, Strahlungssender und - empfänger 5 bzw. 6
oder die Lichtleiter 8, 9 oder geschliffene Glasprismen stoffschlüssig über eine
Vergußmasse 11 oder kraftschlüssig im Boden 1a eingebettet sind (Fig. 1 und 5).
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Falls die Lichtleiter 8, 9 (Figur 6) in das Leitungsstück 2 hineingeführt
sind und dort zwischen ihren Stirnflächen, die zueinander parallel und in Strömungsrichtung
ausgerichtet sind, eine Meßstrecke begrenzen, kann auf die Ausbildung des Meßkanals
1b (vgl. Figur 5) im Boden 1a des Gehäuses 1 verzichtet werden. Diese Anordnung
ist außerordentlich einfach; zweckmaßigerweise werden die Llchtleiter 8, 9 stoffschlüssig
durch den Buden 1 a hindurchgeführt, wobei
Strahlungssender und
-empfänger 5, 6 derart auf der Platine der Auswerteelektronik angeordnet sind, daß
die Strahlung auf dem kürzesten Wege ohne Kopplungsmittel ausgesendet bzw. empfangen
werden kann.
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Es hat sich für viele Anwendungsfälle als besonders vorteilhaft herausgestellt,
wenn der Strahlungssender 5 und der -empfänger 6 mit naher Infrarotstrahlung, das
heißt im Wellenlängenbereich 7,8x10-7 m < <1 ,4x10-6 m betrieben werden.
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Eine eindeutige und unverfälschte fotometrische Analyse des in der
Leitung strömenden Fluids wird dadurch begünstigt, daß zur Vermeidung einer Dombildung
und der damit in diesem Bereich oftmals verbundenen Gasansammlung das topfförmige
Gehäuse 1 senkrecht von unten oder waagerecht von der Seite an der Öffnung des vorzugsweise
waagerecht ausgerichteten Leitungsstückes 2 angeordnet ist (Fig. 1, 4 und 5).
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