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Gebiet der Erfindung
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Dies
ist eine Fortsetzung der schwebenden US-Patentanmeldung Nr. 08/310.630
mit dem Titel „System
zur Bereitstellung einer Abbildung eines Mehrphasenfluids durch
Messen des rückgestreuten Lichts", die am 21. September
1994 eingereicht wurde, nunmehr US-Patent Nr. 5,619,043, für den gleichen
Anmelder wie die vorliegende Anmeldung, durch ihre Benennung, hier,
mit ihrem Gesamtinhalt als einbezogen gelten soll.
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Fachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Analyse der physikalischen Eigenschaften eines Mehrphasenfluids
durch Abbildung der Charakteristika, umfassend Form, Größe und Konzentration.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
gibt viele Anwendungen, bei denen die Partikeleigenschaftbemessungen
eine Verbesserung der Prozesssteuerung bereitstellen, was zu einer
Erhöhung
der Durchflussleistung, höheren
Wiedergewinnungsraten, einem verringerten Nachweismittelverbrauch
und besser Produktqualität
führt.
Diese Vorteile führen
zu verringerten Kosten und erhöhten Profiten
und starken Rechtfertigungen für
die Verwendung von Prozesssteuerungsinstrumenten. Obwohl Instrumente
zur Messung der Partikelgröße erhältlich sind,
werden viele Prozesse mit hoher Partikelkonzentration, die sich
außerhalb
des Messbereichs für
die meisten dieser Vorrichtungen befindet, betrieben. Es besteht
daher ein Bedarf für
Partikelmessinstrumente, die an Ort und Stelle für Echtzeitmessungen, die für die Prozesssteuerung
notwendig sind, verwendet werden können.
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Bei
einem typischen Prozess, beispielsweise einer Polymerisationsreaktion
oder einer Kristallisationsreaktion, werden Partikel oder Tropfen
in einem Flussmedium, flüssig
oder gasförmig,
suspendiert, während
chemische oder physikalische Veränderungen
in den Inhaltsstoffen der Suspension stattfinden. In vielen Fällen sind
diese Veränderungen
sehr dynamisch und die Stoffe können
daher nicht vermessen werden, wenn sie aus der Rohrleitung oder
dem Behälter
abgezogen werden. Wenn eine Testprobe aus einem Kristallisationsbehälter entnommen
wird, wachsen die Kristalle weiter an oder lösen sich auf, während die
Testprobe zu einem Messinstrument transportiert wird. Tropfendispersionen
verbinden sich schnell, wenn sie aus ihrer aufgerührten Umgebung
entnommen werden, wodurch jeglicher Versuch verhindert wird, außerhalb
des Prozesses eine akkurate Messung auszuführen.
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Optische
Verfahren weisen viele Vorteile für die Partikelgrößenmessung
auf, haben aber auch eine wichtige Grenze. Bei hohen Partikelkonzentrationen
wird Licht von Partikel zu Partikel gestreut, und eine solche sogenannte
Mehrfachstreuung ist höchst unbestimmbar,
abhängig
von Faktoren, wie dem Brechungsindex der Stoffe, der Oberflächenrauheit,
der Transparenz, der Größe, der
Form, u.s.w. Optische Vermessungsverfahren verlieren an Präzision und Auflösung bei
hohen Partikelkonzentrationen, da die Gleichungen, die die Partikelgröße auf die
Vermessung beziehen, alle eine vernachlässigbare Dämpfung des Lichts oder die
Streuung nur durch ein Partikel annehmen. Die Abbildung von Partikeln
bei hohen Konzentrationen wird in gleicher Weise beeinflusst, Mehrfachstreuung
verringern den Kontrast und die Auflösungsmöglichkeit der Partikel, insbesondere
kleiner Partikel oder Oberflächeneigenschaften.
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Das
US-Patent Nr. 4,871,251 beschreibt eine optische Vorrichtung, die
Partikel in einem Hochkonzentrationsfluid vermessen kann. Es lässt einen fokussierten
Laser über
die Partikel tasten und misst den Zeitraum, in dem ein Partikel
sich in dem Strahl befindet, und es erzeugt eine statistische Information,
die sich nur auf eine Dimension der Partikel bezieht; sie kann jedoch
nicht die Form unterscheiden und misst nicht die absolute Größe. Dieses
Verfahren ermöglicht
zwar ein Arbeiten bei hohen Konzentrationen durch Verwenden eines
fokussierten Strahls, kann jedoch keine genauen individuellen Messungen von
Größe und Form
ausführen.
Es beruht dagegen auf einer hohen Geschwindigkeit und statistischer Genauigkeit.
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Es
gibt viele Verfahren zum Messen der Partikelgröße außerhalb des Prozesses im Labor,
die Sieben, Sedimentation, eine Elektrozone, viele optische Streuungsverfahren,
akustische Verfahren und Abbildungsverfahren umfassen. All diese
Verfahren, außer
dem Abbildungsverfahren, können
nur eine einzelne Partikeldimension, beispielsweise Partikelvolumen
oder Durchmesser, darstellen. Das Abbildungsverfahren kann die Größe, die
Form, Oberflächeneigenschaften,
Klarheit und weitere physikalische Eigenschaften eines Partikels
darstellen.
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Daher
ist das Abbildungsverfahren das einzige bekannte Verfahren für die akkurate
Messung der Größe und Form
individueller Partikel. Dies wird jedoch üblicherweise nur außerhalb
des Prozesses unter einem Mikroskop ausgeführt. Ein Echtzeitabbildungsverfahren
im Prozess wäre
von großem
Wert in der Prozessindustrie. Es wurden viele Versuche zur Herstellung
von Echtzeitabbildungsvorrichtungen gemacht, jedoch alle wiesen
die Nachteile auf, die die vorliegende Erfindung behebt.
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Die
meisten dieser Systeme verwenden einen Übertragungsaufbau, um Bilder
mit einem ausreichenden Kontrast zu erzeugen. Ein System, das in dem
US-Patent Nr. 4,529,306
gezeigt ist, wird von Flow Vision, Inc. für die Bestimmung der Verunreinigung
von Polymerschmelzen in Extrudern vertrieben. Das US-Patent Nr.
4,075,462 beschreibt auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines
Bildes von Partikeln unter Verwendung einer Übertragungsgeometrie. Ein weiteres,
sehr ähnliches
Beispiel ist in dem US-Patent Nr. 4,136,950 beschrieben. Bei all
diesen Vorrichtungen wird der Beleuchtungsstrahl durch das fließende Fluid
zu dem Detektor, der die Schatten von Partikeln erkennt, wenn sie
sich zwischen der Quelle und dem Detektor hindurchbewegen, weitergeleitet.
Aufgrund der Übertragungsgeometrie
können
diese nur verwendet werden, um Partikel bei sehr niedrigen Konzentrationen
zu vermessen.
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Das
US-Patent Nr. 5,191,388 und die parallele Europäische Patentveröffentlichung
Nr.
EP 0547787A ,
ebenfalls für
Flow Vision, beschreiben eine Vorrichtung, die sich verjüngende Lichtleiterfasern
nutzt, um ein vergrößertes Bild
der Partikel zu erzeugen, die sich neben dem kleinen Ende des geordneten
Lichtleiterfaserbündels
befinden. Diese Vorrichtung ist durch mehrere Probleme eingeschränkt: 1)
die Größenauflösung kann
nicht kleiner als der Abstand zwischen den Zentren der Lichtleiterfasern
sein, 2) das gleiche Lichtleiterfaserbündel wird für die Beleuchtung als auch
für die
Abbildung verwendet, was bedeutet, dass sogar mit Antireflexionsbeschichtungen
wenigstens etwas Beleuchtungslicht direkt zurück in den Bildwandler von jeder
der Lichtleiterfaserendoberflächen
zurückgestrahlt
wird, 3) sich verjüngende
Lichtleiterfaserbündel
sind nur mit einer maximalen Länge
von 6 Inches (15 cm) herstellbar, wodurch die Länge der Messsonde begrenzt ist,
4) sich verjüngende
Lichtleiterfaserbündel
sind ineffiziente Lichtübertragungsvorrichtungen,
die Übertragung über eine
Länge von
10 mm beträgt
nur 50–60%.
Bei der maximalen Länge
von ungefähr
6 Inches (15 cm) wird sowohl in der Beleuchtungsrichtung als auch
in der Empfangsrichtung weniger als 40% des Lichts übertragen,
und 5) die Bildqualität nimmt
mit der Länge
ab, da eine geringe Menge an Licht zwischen den Glasfasern entlang
der Länge des
Bündels
entweicht. Je länger
das Bündel
ist, desto mehr Störungen
werden zwischen den Lichtleiterfasern erzeugt, was zu einem Verlust
an Kontrast und Bildschärfe
führt.
Der Kontrast kann durch Hinzufügen
eines lichtabsorbierenden Stoffs zwischen den Lichtleiterfasern
verbessert werden; dies führt
jedoch zu noch höheren Übertragungsverlusten.
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Ein
weiteres alternatives Verfahren verwendet ein Industrieendoskop,
das von vielen Herstellern (beispielsweise Schott, Olympus oder
Lenox) hergestellt wird und in einen Prozessfluss eingeführt wird. Solch
ein System ist im Detail von Dr. Arthur Boxman (das als Teil eines
kurzen Kurses mit dem Titel „Fortschritte
in der Messung und Steuerung von Partikelsystemen" dargestellt und
am 9. Juli 1996 in dem Engineering Research Center der Universität of Florida abgehandelt
wurde). Das Industrieendoskop kann einen kleinen Durchmesser aufweisen
und ist mit Lichtleiterfasern versehen, die konzentrisch um die
Objektivlinse herum angeordnet sind, um eine Beleuchtung aus einer
entfernten Lichtquelle bereitzustellen. Durch Einführen des
Industrieendoskops in eine Messsonde mit einem Fenster, um die Optik
von dem Prozessfluss zu isolieren, baute Dr. Boxman ein Prüfsystem,
das in einen Prozess eingeführt
wird.
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Obwohl
dies für
einige Anwendung wirksam ist, weist dieses System auch Nachteile
auf. Die Lichtleiterfasern stellen ein diffuses Licht bereit, das einen
weiten Bereich um das Betrachtungsfeld herum beleuchtet, wodurch
Licht von außerhalb
der Zielfläche
in das Betrachtungsfeld gelangen kann, was einen Kontrastverlust
erzeugt, wodurch die Auflösung
der Merkmale der Partikel erschwert wird. Ein weiterer Nachteil
ist, dass die Industrieendoskopoptik durch Einstellen des Okulars
fokussiert werden muss, was die Brennweite des Systems und daher die
Vergrößerung verändert und
dies wiederum nicht nur die scheinbare Größe der abgebildeten Partikel sondern
auch die Positionsbeziehung der Lichtquelle zu dem Brennpunkt verändert.
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Uns
ist ferner das US-Patent Nr. 4 871 251 bekannt, das eine Abbildungsvorrichtung
beschreibt, bei der Licht von einer Laserdiode in dem Medium fokussiert
wird. Ein Fotodetektor erfasst dann das resultierende beleuchtete
Bild.
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Die
oben beschriebenen Vorrichtungen weisen mehrere Nachteile gemeinsam
auf. Die Beleuchtung des Stoffs wird durch einen zerstreuten Strahl oder
einen breiten Strahl mit fast parallel gerichtetem Licht erzielt,
wobei die Theorie besagt, dass ein Überfluten der Fläche mit
einer großen
Menge an Licht die besten Bilder erzeugt. Wenn eine geringe Menge
an Stoff von Interesse sich im Betrachtungsfeld befindet, ist es
wahr, dass eine ansteigend große Menge
an Licht auch die Menge an Licht, die durch die Abbildungsoptik
empfangen wird, erhöht.
Wenn die Partikelkonzentrationen hoch sind, wird jedoch eine große Menge
an Licht, insbesondere ungesteuertes Licht, eine Mehrfachstreuung
des Lichts im Betrachtungsfeld des optischen Systems erzeugen, wodurch
der Kontrast des resultierenden Bilds verringert wird. Die Leistung
eines solchen Strahls ist ferner über eine breite Fläche gestreut,
was wiederum eine noch höhere
Lichtintensität
erfordert, um eine ausreichende Menge an rückgestreutem Licht bereitzustellen.
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Der
Stand der Technik lehrt auch, dass die Montage dieser Vorrichtungen
so ausgelegt ist, dass das Betrachtungsfenster bündig mit der Wand der Rohrleitung
oder des Behälters,
die das Fluid beinhalten, das gemessen werden soll, vorgesehen ist. Die
vorliegende Erfindung stellt dar, warum dieses Konzept für die meisten
Anwendungen nicht sinnvoll ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine in den Prozess integrierte Abbildungsvorrichtung
gemäß Anspruch
1, die sich all der oben beschriebenen Voraussetzungen annimmt und
für die
Analyse von Partikeln oder Tropfen, die sich in Prozessreaktorbehältern oder
in Rohrleitungen bei voller Prozesskonzentration befinden, unter
Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
wie es in Anspruch 11 definiert ist, geeignet ist. Es kann Bilder
von Partikeln, Tropfen oder anderen Gegenständen, die in einem Fluid suspendiert
sind, sogar in hohen Konzentrationen erfassen und kann Eigenschaften
bis zu einer sehr geringen Größe, bis
ungefähr
auf die Wellenlänge
des Beleuchtungslichts, darstellen. Es löst die Probleme der vor Ort
vorgesehenen Beleuchtungssysteme gemäß dem Stand der Technik, insbesondere
die, die durch Mehrfachstreuung und Partikelgeschwindigkeit erzeugt
werden, und es ist ferner ein System, das in einer Messsonde mit
kleinem Durchmesser enthalten ist, die direkt in einen Prozessfluss mit
minimaler Störung
des Flusses eingeführt
kann, wobei es Punkte, tief im Fluss, die für den zu messenden Gesamtprozess
repräsentativ
sind, erreicht.
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Es
verwendet ein optisches System mit fester Brennweite, das den Vorteil
aufweist, dass die Brennebene relativ zu einer Fensteroberfläche bewegt
werden kann, um die Bildqualität
zu optimieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Lichtquelle eine Laserdiode, für eine hohe Spitzenleistung,
die in einem gepulsten Modus (An-Zeiträume mit kurzer Dauer) betrieben
wird und innerhalb der Messsonde angeordnet ist. Bei einer weiteren Ausführungsform
ist ein Laser, beispielsweise ein Frequenz verdoppelter Nd:Yag-Laser
oder ähnlicher Laser,
außerhalb
der Messsonde in einem separaten Gehäuse vorgesehen. Das Licht der
Lichtquelle wird in eine Lichtleiterfaser eingekoppelt. Das Licht
wird durch die Lichtleiterfaser zu dem Linsensystem nahe dem Ende
der Messsonde geleitet, die das Licht durch ein Fenster auf die
Fläche
fokussiert, die mit dem Betrachtungsfeld in der Brennebene der Abbildungsoptik übereinstimmt.
Die Abbildungsoptik sammelt das Licht, das von den Partikeln oder
Tropfen zurückgestreut
wird, vergrößert das
Bild und projiziert es auf einen Fotodetektor, beispielsweise eine CCD-Anordnung.
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Das
Abbildungssystem, die Abbildungsoptik und der Fotodetektor umfassen
ein optisches System mit konstanter Brennweite. Dieses optische
System kann relativ zu dem Fenster bewegt werden, um die Brennebene
des Systems an einer Position, die zur Erzielung der besten Abbildungen
unter den vorliegenden Umständen
optimal ist, anzuordnen.
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Die
Lichtquelle wird für
sehr kurze Zeiträume (gepulster
Betrieb) angeschaltet, um die Partikel zu beleuchten. Diese Zeiträume sind
kurz genug, dass ein Partikel, das durch den Prozessstrom getragen wird,
sich nicht über
einen signifikanten Abstand während
des Beleuchtungsimpulses bewegt. Der Beleuchtungszeitraum wird mit
der Integrationszeit des Fotodetektors synchronisiert.
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Die
Ausgabe des Fotodetektors wird in ein Standardvideosignal oder in
einen digitalen Datenstrom konvertiert, die in Bilder zur Betrachtung
auf einer Ausgabevorrichtung, beispielsweise einem CRT-Videomonitor
konvertiert werden können
oder durch spezielle Signalverarbeitungsmittel weiter verarbeitet
werden können,
die die Größe, Form
und weitere Information aus den Bildern automatisch gewinnen können.
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Das
Messsondenrohr wird durch eine Einführanordnung eingeführt, so
dass das vordere Betrachtungsfenster mit dem Fluidfluss direkt in
Kontakt steht, und kann so angeordnet werden, dass ein kontinuierlicher
und repräsentativer
Fluidstrom das Fenster passiert. Die bestmöglichen Messzustände werden
durch Positionieren des Messsondenfensters im Winkel von 45° zu dem Fluss
erzielt, so dass der Strom auf das Fenster auftritt, so dass die
Bewegungsenergie der Partikel diese gegen die Fensteroberfläche drückt, wodurch
sie von der Abbildungsoptik betrachtet werden können. Dies stellt eine bessere und
repräsentativere
Probe des Stoffes, der das Fenster kontaktieren soll, verglichen
mit den oben beschriebenen Verfahren, bei denen ein Fenster bündig mit
dem Behälter
oder der Rohrleitungswand angeordnet ist, oder bei denen eine Messsonde
derart befestigt ist, dass die Fensteroberfläche parallel zu der Flussrichtung
angeordnet ist, bereit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
oben beschriebenen Aspekte und viele der zugehörigen Vorteile dieser Erfindung
werden durch besseres Verständnis
aufgrund der detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen deutlicher, wobei
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1 eine
Schnittdarstellung der Messsonde ist, die die allgemeine Ausbildung
des Fokussierbeleuchtungssystems und der Abbildungsoptik darstellt,
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2 die
Messsonde mit einer externen Lichtquelle darstellt,
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3 eine
Schnittdarstellung der Messsonde ist, die ein Verfahren zum Verlängern der
optischen Anordnung, ohne dass die Bildqualität verringert wird, darstellt,
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4 eine
Schnittdarstellung der Messsondenspitze ist, die das Betrachtungsfeld
und die Beleuchtungsstrahlen darstellt,
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5 ein
Detail des Beleuchtungssteuersystems darstellt,
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6A–6F die
Intensität
entlang der optischen Achse für
verschiedene Beleuchtungssysteme darstellen,
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7A–7D Strömungsarten
an der Spitze einer Messsonde, die sich in einem bewegenden Strom
befindet, darstellen,
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8 ein
Kugelventil- und Stopfbüchsendichtungssystem,
die die Einführung
einer Messsonde in ein Rohr oder ein Gefäß oder das Entfernen aus diesen
ermöglichen,
während
die Suspension weiter fließt,
darstellt und
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9 eine
Querschnittsdarstellung einer Kugelventil/Einführbaueinheit darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt
die bevorzugte Ausführungsform der
Messsondenbaugruppe im Schnitt. Es sind zwei Hauptabschnitte der
Messsondenanordnung vorhanden: ein vorderer Abschnitt, der ein Messsondenrohr 10 ist,
das an dem freien fluidseitigen Ende durch ein Fenster 11 abgeschlossen
ist, und ein rückwärtiger Abschnitt,
der ein Messsondengehäuse 28 ist,
das nicht in einen Prozessfluss, der überwacht werden soll, eingeführt ist.
Das Messsondenrohr 10 und das Messsondengehäuse 28 sind
miteinander verbunden, um eine starre abgedichtete Hülle zu bilden,
die alle Abschnitte der Messsonde enthält und diese vor der Prozessumgebung
schützen.
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Ein
Kabel 49, das Strom und Steuersignale an die Messsonde
weiterleitet, ist mit dem Messsondengehäuse 28 verbunden.
Eine Hochgeschwindigkeitstreiberschaltung 47 erzeugt einen
kurzzeitigen Impuls eines elektrischen Stroms in einer Laserdiode 45,
was verursacht, dass die Laserdiode 45 einen Lichtimpuls
mit der den Stromimpuls gleichkurzen Dauer abgibt. Das Licht der
Laserdiode 45 wird in eine Lichtleiterfaser 6 durch
einen Koppler 44 eingeleitet und durch die Lichtleiterfaser 6 zum
Ende der Lichtleiterfaser an einer Hülse 4 weitergeleitet.
Das Licht der Lichtleiterfaser 6 bildet einen gestreuten Strahl
gemäß der numerischen
Apertur der Lichtleiterfaser. Die Beleuchtungssteuerungslinse 3 fokussiert
das Licht auf einen konzentrierten Strahl an einem Brennpunkt 1,
der an oder nahe der Fläche
des Fensters 11 angeordnet ist, die mit dem Fluidfluss 13 in
Kontakt steht, um die Partikel, die an dem Fenster vorbeifließen, zu
beleuchten. Die Breite des Brennpunkts wird durch die Abstandsbeziehung
des Endes der Hülse 4 und
der Linse 3 gesteuert. Die laterale Position des Brennpunkts
bezüglich
des Betrachtungsfelds kann durch Verlagern der Hülse 4 gegenüber der
optischen Achse der Linse 3 eingestellt werden, wie in 5 detaillierter
dargestellt ist.
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Es
können
Mehrfachlaserdioden vorgesehen werden, wobei jede ihren eigenen
Treiber, Koppler, eigene Lichtleiterfaser und Beleuchtungssteuerungslinse
aufweist. Der Brennpunkt 1 ist im Schnittpunkt der optischen
Achse des Abbildungssystems und der Brennpunktachse des Abbildungssystems,
das die Linsengruppe 7 und den Fotodetektor 52 umfasst, angeordnet.
Die Linsengruppe 7 fokussiert die Bildebene im Brennpunkt 1 auf
einen Fotodetektor 52. Die Linsengruppe 7 kann
ferner das Bild, wenn notwendig, auch vergrößern und kann ferner mehr als
ein Linsenelement umfassen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Fotodetektor 52 eine CCD-Anordnung, die eine Anzahl von Elementen
enthält,
die ein Raster bilden. Die Größe dieser
Elemente und die Vergrößerung des Abbildungssystems
sind Faktoren für
das Auflösungsvermögen des
Systems. Beispielsweise werden 10 × 10 mm Elemente und eine 10-fache
Vergrößerung die
beste Auflösung
von größenmäßig 1 mm erzielen.
Es gibt andere optische Faktoren, die die Auflösung des Systems begrenzen,
und das optische System muss sorgfältig ausgelegt werden, um diese Wirkungen
zu minimieren. Es werden mehrere CCD-Vorrichtungen angeboten, die,
wie zum Beispiel TC 241 von Texas, geeignet sind. Das elektronische Paket 46 enthält herkömmliche
Schaltkreise, um das Bild im Fotodetektor 52 in ein Signal
umzuwandeln, das mittels des Kabels 49 an eine Betrachtungsoberfläche oder
an ein Bildverarbeitungssystem, das Eigenschaften, beispielsweise
Form, Größe und Anzahl,
der Bilder der Gegenstände,
die in dem Fluid 13 fließen, bestimmen kann, weitergeleitet
wird. Das Kabel 49 leitet Strom für die Stromversorgung und die Steuersignale
an die Elektronik der Messsonde.
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Eine
elektronische Blendenanordnung 55 wird verwendet, um optische
Störungen
zu begrenzen, wenn das rückgestreute
Licht sehr gering ist. Da die CCD-Anordnung während des Zeitraums zwischen
den Beleuchtungsimpulsen weiter integriert, wird gestreutes Licht,
das auf die Fotodetektoroberfläche
trifft, im Bild unerwünschte
Störgeräusche hervorrufen.
Durch „Öffnen" der elektronischen
Blende, um eine Synchronisation mit dem Zeitraum des Beleuchtungsimpuls
zu erreichen, werden Störungen verringert.
Ein Beispiel einer elektronischen Blende, die für einen sehr kurzen Zeitraum
von weniger als 1 μsek.
geöffnet
werden kann, ist eine Pockel-Zelle, des Typs LX415 von Cleveland
Crystals, Inc..
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Eine
Abstützung 53 der
optischen Baugruppe stützt
sowohl die Laserdiodenanordnungen (44 und 45)
als auch die Treiberelektronik 47 und hält ferner den CCD-Bildwandler 46 und
ein optisches Abstützrohr 8,
das all die anderen optischen Komponenten enthält. Die Beleuchtungsglasfasern 6 werden
an der Außenseite
des optischen Abstützrohrs 8 befestigt.
Die oben beschriebenen Teile werden daher zu einer einzigen Einheit
miteinander verbunden und werden in der äußeren Messsondenanordnung,
die das Messsondenrohr 10 und das Gehäuse 28 umfasst, aufgenommen.
Das Fenster 11 ist an dem Ende des Rohrs 10 angebracht.
Eine Fokussierschraube 54 ist an dem Gehäuse 28 befestigt,
wobei des Ende an der optischen Anordnung 53 der optischen
Baugruppe befestigt wird, so dass sich durch Drehen der Fokussierschraube 54 die
innere Anordnung 53 bezüglich
der äußeren Anordnung 28 bewegt.
Dies stellt die Position des Brennpunkts 1 bezüglich des
Fensters 11 ein, so dass der Abstand vom Fenster, um eine
bestmögliche
Bilderfassung für die
Prozesszustände
zu erreichen, optimiert werden kann. Ein Verriegelungskragen 33 sieht
Mittel vor, um die Messsonde an den Einführmitteln zu befestigen, die
nachfolgend detaillierter beschrieben werden.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform, die
einen Hochleistungslaser 42 anstelle einer Laserdiode als
Lichtquelle nutzt. Der Laser 42 ist in der Steuereinheit 40 aufgenommen,
die auch die Stromversorgung und Steuerschaltkreise für den Laser
enthält.
Das Licht des Lasers wird in Lichtleiterfasern 6 durch
den Koppler/Verteiler 41 eingeleitet. Das Licht wird mittels
der Lichtleiterfasern 6, die in dem Kabel 49 enthalten
sind, zur Messsondenanordnung weitergeleitet. Die Lichtleiterfasern 6 leiten
dann das Licht zu dem Beleuchtungssteuerungssystem, wie bei der ersten
Ausführungsform,
weiter. Der externe Laser 42 ist teurer, aber ermöglicht auch
das Auswählen anderer
Wellenlängen
für das
Licht für
Anwendungen, die die typischen Laserdiodenwellenlängen stark
absorbieren.
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Es
ist zu vermerken, dass es theoretisch möglich ist, eine weiße Lichtquelle
zu verwenden, jedoch weisen typische weiße Lichtstroboskopquellen, beispielsweise
Gasentladungsblitzröhren
und Lichtbogenlampen, eine große
Abstrahlungsfläche
auf und sind ungerichtet. Dies würde
ein kompliziertes optisches System für das Bündeln und Fokussieren der Energie
einer großen
Lichtquelle in eine relativ kleine Glasfaser erfordern. Ein weiterer
Nachteil dieses gewählten
Leuchtentyps ist, dass sie eine sehr kurze Lebensdauer von ungefähr 105 Impulsen aufweisen, was nur für ungefähr einen
Monat bei 30 Impulsen pro Sekunde reicht.
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3 zeigt,
wie die Länge
des Messsondenrohrs 10 durch Verwenden einer Relaisoptik
verlängert
werden kann. Die Linse 50 ist ein konjugiertes Verhältnisrelaisobjektiv,
und durch Anordnen derselben zwischen der ursprünglichen Bildebene 20 und dem
Fotodetektor 52 kann die Messsonde um das Vierfache des
Brennpunkts der Linse 50 verlängert werden. Weitere Relaisobjektive
können
hinzugefügt werden,
um die Messsonde weiter zu verlängern.
Die Lichtleiterfasern 6 und alle Baukomponenten werden verlängert, um
der Bildoptik zu entsprechen.
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Durch
Verlängern
der Messsonde, des Fotodetektors, der Bildelektronik und der Laser,
können alle
von den Temperaturzuständen
des Prozessfluids besser isoliert werden. Bei einigen Anwendungen
ist es notwendig, eine längere
Messsonde zu verwenden, um einen repräsentativen Bereich innerhalb
eines Prozessbehälters
zu erreichen. Die Verlängerungsmöglichkeit
der optischen Anordnung, ohne dass die Bildqualität sich verschlechtert,
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber Vorrichtungen, die konische
Glasfasern, beispielsweise die Vorrichtung, die in dem U.S.-Patent
Nr. 5,191,388 beschrieben ist, verwenden.
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Die
Beziehung der Beleuchtungskomponenten der Abbildungsoptik ist im
Schnitt in 4 dargestellt. Es sind drei
Winkel in der Zeichnung eingetragen; 1) der Halbwinkel 28 des
Betrachtungsfelds 24, 2) der Winkel 26 zwischen
der Beleuchtungsstrahlachse 29 und der optischen Systemachse 23,
und 3) der Halbwinkel 27 des fokussierten Beleuchtungsstrahls 2.
Um nur die Fläche
des Betrachtungsfelds 24 in der Fokussierebene 25 zu
beleuchten, muss der Winkel 26 größer als die Summe aus dem Halbwinkel 27 und
dem Halbwinkel 28 sein. Diese Anordnung stellt sicher,
dass der Beleuchtungsstrahl 2 das Betrachtungsfeld 24 an
keinem anderen Punkt als in der Fokussierebene 25 abdeckt.
Die Optik des Beleuchtungssystems muss sorgfältig ausgewählt werden; damit die Größe des Brennpunkts 1 des
Beleuchtungsstrahls 2 nächstmöglich der
Größe des Betrachtungsfelds 24 in
der Fokussierebene 25 entspricht. Das Beleuchtungssystem
muss eine größtmögliche numerische
Apertur aufweisen, um eine kurze Strahltaille an dem Brennpunkt 1 zu erzeugen, um
die Lichtintensität
in der Fokussierebene zu maximieren. Gleichzeitig muss die numerische
Apertur klein genug sein, um zu verhindern, dass Licht des Beleuchtungsstrahls 2 in
das Betrachtungsfeld 24 an keinem anderen Punkts als der
Fokussierebene 25 eintritt, um zu verhindern, dass Licht
von Partikeln außerhalb
der Fokussierebene mehrfach rückgestreut
wird.
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Es
ist zu vermerken, dass die Fokussierebene 25 genau an oder
sehr nahe der Außenfläche des Messsondenfensters
(Bezugzeichen 11 in 1) angeordnet
ist. Das Fenster 11, das für die Trennung des Prozessfluids
von der Optik dient, ist ferner auch für die optische Leistung des
Systems kritisch. Durch Anordnen der Fokussierebene an oder nahe
der Fensteroberfläche
werden das Beleuchtungslicht und das rückgestreute Licht von den Partikeln
nicht über
einen langen Bereich durch das Fluid geleitet und es wird daher
nicht durch Partikel, die sich zwischen dem Fenster und der Fokussierebene
befinden, verschlechtert. Die Anordnung ermöglicht, dass die Erfindung
auch bei hoher Konzentration von Partikeln sehr gute Bilder erzielt.
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Der
Aufbau weist den weiteren Vorteil auf, dass er keine direkte Rückstrahlung
von der Lichtquelle in das optische Abbildungssystem erzeugt, da die
Beleuchtungsstrahlwinkel sorgfältig
gesteuert werden.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Beleuchtungsanordnung erklärt sich
durch die allgemein gut bekannte Beschaffenheit des Lichts, das
von den Partikeln rückgestreut
wird, wie sie durch die von Mie entwickelte Rückstreuungstheorie beschrieben
wird. Es wird viel mehr Licht in der nach vorne gerichteten Richtung
durch kleine Partikel gestreut, als zurück zu der Quelle und zwar oft
um mehrere Größenordnungen
(Kerker). Wenn ein nicht fokussierter Strahl, wie bei den oben beschriebenen
Vorrichtungen, verwendet wird, bedeutet dies, dass die Partikel
hinter der Bildebene durch die nach vorne gestreute Komponente des
Lichts beleuchtet werden. Diese beleuchteten Partikel erhöhen das
Hintergrundlichtniveau, wodurch der Bildkontrast der Partikel in
der Bildebene verringert wird. Durch Beleuchten der Partikel unter
einem Winkel 26 zu der Betrachtungsachse tritt das Licht,
dass nach vorne gestreut wird, nicht in das Betrachtungsfeld ein
und nur Partikel in dem Interessenbereich werden beleuchtet.
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Das
Beleuchtungssystem wird, wie in 5 dargestellt,
eingeregelt. Das Licht, das von dem Ende der Lichtleiterfaser 6 ausgestrahlt
wird, wird durch eine Linse 3 gesammelt, die das Licht
fokussiert und einen Strahl 2 bildet. Der Strahl 2 ist
auf seinen kleinsten Brennpunkt 1 fokussiert. Die Position
des Brennpunkts 1 wird durch Verstellen der Hülse 3 mit den
X-Y Einstellmitteln (Einstellmitteln in der X-Y Richtung) eingestellt.
Der Abstand zu dem Brennpunkt wird durch Verstellen der Hülse entlang
ihrer Z-Achse relativ zu der Linse 3 eingestellt. Die Position
des Brennpunkts 1 wird so eingestellt, dass er mit der
Fläche
der Brennebene 25 der Bildoptik übereinstimmt, die sich im Betrachtungsfeld 24 befindet.
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Durch
Verwenden dieses Verfahrens können die
Brennpunkte der vielen Strahle, die um die Bildoptik radial positioniert
sind, auf die gleiche Brennfläche
fokussiert werden. Daher können
Partikel von allen Seiten gleichzeitig beleuchtet werden oder können von
gewählten
Winkeln aus, abhängig
von der Anzahl an Lichtquellen, die verwendet werden, beleuchtet
werden.
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6 vergleicht den Strahlungseinfall oder die
Lichtintensität
für verschiedene
Beleuchtungssysteme als eine Abstandsfunktion von der Bildebene
do entlang der optischen Achse. 6A zeigt
das Ende eines Lichtleiterfaserbündels 70,
wie das, das nach dem US-Patent Nr. 5,191,388 verwendet wird, und
ein Repräsentant
der vorherigen Systeme ist, die die nicht fokussierte Beleuchtung
nutzen. Das Licht wird von dem Bündel
entsprechend der numerischen Apertur der Lichtleiterfasern, die
einen Lichtkegel 71 mit einem Zerstreuungswinkel bilden,
ausgestrahlt. Bei diesem Systemtyp entspricht das Betrachtungsfeld
dem Lichtkegel. Da dieses System keinen Brennpunkt aufweist, sondern
direkt an der Oberflache der Lichtleiterfaserenden abbildet, befindet
sich die Bildebenen do neben dem Ende des
Bündels. 6B zeigt
die Verringerung des Strahlungseinfalls I entlang der optischen
Achse 75, während
der Abstand d von der Bildebene sich vergrößert. Es ist zu vermerken,
dass es immer noch eine ausreichende Lichtintensität vorhanden
ist, sogar bei großen
Abständen von
der Bildebene do. Partikel, die sich in
dem Betrachtungsfeld befinden, werden, obwohl sie sich nicht in
der Bildebene befinden, dieses Licht zerstreuen, wobei sie nicht
fokussierte Bilder und Störungen
mit dem Licht, das von den Partikeln in der Bildebene zerstreut
wird, erzeugen.
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6C zeigt
eine Vorrichtung, die Lichtleiterfasern 76 verwendet, die
konzentrisch um die Betrachtungsoptik 77 herum angeordnet
sind, was eine herkömmliche
Methode zur Beleuchtung bei Industrieendoskopen darstellt. Die Lichtkegel 79,
die durch die individuellen Lichtleiterfasern erzeugt werden, überlappen
sich, um einen zentralen Lichtkegel 80 zu bilden. Wie aus 6D ersichtlich
ist, ist die Intensität
an irgendeinem Punkt zwischen der Betrachtungsoptik und der Bildebene
do am größten und
verringert sich dann mit größer werdendem
Abstand d. Wie bei dem vorherigen Beispiel befindet sich der größte Anteil
an Licht in dem Betrachtungsfeld 78 der Betrachtungsoptik 77,
das durch nicht fokussierte Partikel zerstreut werden kann.
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Das
Beleuchtungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 6E dargestellt. Der Beleuchtungsstrahl 2 wird
durch die Linse 3 auf eine Fläche, die mit der Bildebene
do und dem Betrachtungsfeld 81 der
Bildoptik 7 übereinstimmt,
fokussiert. Mit diesem Aufbau wird das Licht nicht über einen
großen
Bereich des Betrachtungsfelds zerstreut und, wie in 6F dargestellt,
wird die Intensität
des Beleuchtungsstrahls auf do konzentriert
und verringert sich auf Null bei einem sehr kurzen Abstand zur Bildebene.
Dies bedeutet, dass Partikel, die sich nicht im Fokus befinden,
nicht beleuchtet werden, wodurch der Bildkontrast der Partikel in
der Bildebene vergrößert wird.
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7 zeigt, warum die Messsonde für die beste
Stoffdarstellung in dem Fenster sorgfältig positioniert werden muss.
Die Messsonde 10 mit dem Fenster 11 wird in einem
sich bewegenen Fluidfluss 13 positioniert. In 7A ist
das Fenster 11 bündig mit
der Wand der Rohrleitung oder des Behälters montiert. Die Reibung
an der Wand 16 verursacht, dass die Geschwindigkeit V des
Stroms nah an der Wand geringer ist als im Zentrum des Flussstroms. Sehr
nah an der Wand bewegt sich eine dünne Schicht des Stoffs 15 sehr
langsam, was der Grund ist, dass sich Ablagerungen an den Innenseiten
der Rohrleitungen bilden können,
sogar wenn die Flussrate hoch ist. Partikel und Tropfen 17,
die durch die höhere
Flussgeschwindigkeit transportiert werden, treten nicht leicht in
die langsame Schicht 15 ein und sind daher daran gehindert,
nah an ein Fenster, das bündig
mit der Wand 16 montiert ist, zu gelangen. 7B zeigt
die Messsonde, die mit dem Fenster parallel zu dem Fluss weiter
hinein eingeführt
ist. Hierbei erzeugt die Messsonde ein Hindernis im rechten Winkel
zum Fluss, wodurch eine Schockwelle 18 erzeugt wird, die
den Fluss weg vom dem Fenster ablenkt, wodurch eine tote Zone 12 vor
dem Fenster gebildet wird.
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In 7D bildet
der Fluss gegen das stumpfe Ende der Messsonde auch eine Schockwelle,
um die herum die größte Menge
an Stoff fließt.
Zwischen dieser Schockwelle und dem Fenster wird eine tote Zone 12 gebildet,
in die kein Stoff hineinfließt.
Die geringe Geschwindigkeit an dem Fenster im Fall 7A und
die tote Zone 12 im Fall 7b und 7B verhindern
eine repräsentative
Berechnung der Partikel im Flussstrom 13 und ermöglicht,
dass sich Ablagerungen an dem Fenster bilden.
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Nur
in 7C ist ein gegen und sich über die Fensterfläche erstreckender
aufprallender Fluss 14 gegeben, wobei der Fluss die Partikel
nah an dem Fenster für
die bestmögliche
Berechnungsdarstellung transportiert und eine Abschabfunktion erzeugt, die
verhindert, dass Ablagerungen auf dem Fenster entstehen. Die beste
Orientierung ist gegeben, wenn der Winkel des Fensters zu dem Fluss
ungefähr
45° beträgt.
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Um
den Zustand, der in 7A dargestellt ist, zu vermeiden,
ist es notwendig, die Messsondenspitze tief genug in den fließenden Stoff
einzuführen, um
Wandeffekte zu eliminieren. 8 und 9 zeigen
eine Anordnung im Fluss, bei der Hintereinanderanordnung das Messsondenfenster
entfernt von der Rohrwand und im geeigneten Winkel zum Fluss angeordnet
ist. Sie weist ferner den Vorteil auf, dass es möglich ist, die Messsonde, während des
Prozesses einzuführen
und zu entfernen, d.h. ohne dass der Prozess angehalten oder die
Rohrleitung entleert werden muss. 9 zeigt
einen Schnitt der Anordnung. Das Messsondenrohr 10 der
Messsondenbaugruppe wird durch die Baugruppe, die durch eine Stopfbüchsendichtung 39,
den Flansch 32, das Kugelventil 31, die Messsondenabschirmung 30,
den Flansch 26 und den Rohrabschnitt 25 gebildet
wird, eingeführt,
wobei das Messsondenfenster 10 mit dem Fluidfluss 13 direkt
in Kontakt steht. Der Rohrabschnitt 25 ist unter einem
Winkel (Winkel A in 7C) an die Wand 16 einer
Rohrleitung oder eines Prozessbehälters angeschweißt. Die
Messsondenabschirmung 30 erstreckt sich zu der Spitze der Messsonde,
behindert aber nicht den Fluss und wird verwendet, um das Messsondenrohr 10 gegen übermäßige Abnutzung
durch abrasive Fluids zu schützen.
Das Kugelventil ermöglicht,
dass die Messsonde bei kontinuierlichem Prozessverlauf eingeführt (oder
aus diesem herausgezogen) werden kann. Gemäß 8 wird ein
Verriegelungskragen 33 an dem Messsondengehäuse 28 befestigt
und verwendet, um den Messsondenkörper an dem Flansch 32 zu verriegeln.
Eine O-Ring-Anordnung 39 stellt eine Druckdichtung bereit.
Alle Teile sind derart aufgebaut, dass sie sehr hohen Betriebsdrücken widerstehen
können.
Die Messsonde wird durch Lösen
des Kragens 33 durch gleitende Bewegung der Messsondenanordnung
und des Verriegelungskragens entlang der zwei Führungsstäbe 37, über den
Verschlussstab 35 hinaus, bis der Kragen 33 gegen
die Knebel-Schrauben-Anordnung 36 stößt, herausgezogen.
Das Kugelventil kann dann durch Drehen eines Griffs 38 um
90° geschlossen
werden, wodurch der Prozess isoliert wird. Die Knebelschrauben werden
dann entfernt, um zu ermöglichen,
dass die Messsonde vollständig
herausgezogen werden kann. Die Messsonde wird durch Umkehren dieser Schritte
wieder eingeführt.
Bei geschlossenem Kugelventil bestimmt die Spitze des Verschlussstabs 35 die
maximale Einführtiefe
des Kragens 33, um zu verhindern, dass das Messsondenfenster
die im Schließzustand
befindliche Kugel der Ventilanordnung berührt. Wenn der Kugelventilgriff 38 geöffnet wird,
bewegt sich der Verschlussstab aus dem Weg, um zu ermöglichen,
dass der Kragen 33 zurück
in seine verriegelbare Position gegen die Stopfbüchsendichtung 39 gleitet.
Der Messsondenkörper
und alle benetzten Teile der Kugelventilanordnung sind aus einem
Werkstoff hergestellt, der geeignet ist, um mit den Stoffen und
den Umgebungszuständen
des Prozessfluids kompatibel zu sein. Bei einigen Kristallisationsanwendungen
kann das Volumen zwischen dem Messsondenrohr 10 und der
Messsondenabschirmung 30 mit dem kristallisierten Fluid
zusammenbacken. Wenn dies auftritt, kann es sehr schwierig sein,
die Messsondenanordnung zu entfernen, ohne zunächst den ausgehärteten Stoff
unter Verwendung eines Flusses eines erwärmten Suspensionsfluids aufzulösen. Dies
kann kontinuierlich durch Einführen
eines Hochdruckflusses eines Suspensionsfluids, das in die Messsondenabschirmung
durch den Fitting 34 an der Seite der Kugelventilanordnung eingeleitet
wird, ausgeführt
werden. Bei einem Kristallisationsprozess verhindert das Erwärmen des
eingeleiteten Suspensionsfluids auf eine Temperatur von wenigstens
10°C oberhalb
der Messsondentemperatur eine Ablagerung von auskristallisierten
Stoffen an der Messsonde.
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Während die
bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung
dargestellt und beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass verschiedene Änderungen
gemacht werden können,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.