Titel

Detektion von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche inner- halb eines Gefäßes oder einer Leitung mit einem strömenden Medium

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Ablage- rungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche innerhalb eines Gefäßes oder einer Leitung mit einem strömenden Medium. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Detektionsanordnung zur Detektion von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen ei- nes strömenden Mediums an einer Wandung eines Gefäßes oder einer Leitung mit einer derartigen Detektionsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche innerhalb eines Gefäßes oder einer Leitung mit einem strömenden Medium, mit einer ersten Detektionsvor- richtung.

Aus der DE 10 2009 009 592 A1 ist es bekannt, an einer Außenseite eines Druckrohrs eines Wärmetauschers zwei Temperatursensoren in einer Verprägung anzuordnen, um den Wär- mestrom zwischen den beiden Temperatursensoren zu ermitteln. Zusätzlich ist ein dritter Temperatursensor vorgesehen, wobei ein weiterer Wärmestrom mittels der durch die drei Temperatursensoren gemessenen Temperaturen ermittelt wird. Der zeitliche Verlauf dieser beiden Wärmeströme wird überwacht und daraus ein Verschmutzungszustand der Außen- seite des Druckrohrs ermittelt. Bei diesem Verfahren hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass die Bestimmung des Verschmutzungszustands nur bei vorhandener Temperaturdiffe- renz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Druckrohrs möglich ist. Diese Tempe- raturdifferenz wird vom Prozess erzeugt. Hierdurch wird die verlässliche Detektion von Abla- gerungen in sämtlichen Betriebspunkten des Druckrohrs stark eingeschränkt und die Mess- genauigkeit extrem reduziert.

Die WO 2014/099 755 A1 beschreibt ein Verfahren zum Detektieren von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen, die durch ein flüssiges, strömendes Medium auf einer Oberflä- che eines beheizten Sensors hervorgerufen werden. Der Sensor ist in einer von dem Me- dium durchströmten Durchflusszelle angeordnet und umfasst einen wärmeleitfähigen Block mit einer Heizeinrichtung, die einen primären Wärmestrom durch den Block zu der Sensor- oberfläche erzeugt. Über eine der Sensoroberfläche gegenüberliegende Seite des Blocks fließt ein sekundärer Wärmestrom zur Umgebung ab. Ablagerungen und/oder Verschmut- zungen auf der Sensoroberfläche erhöhen den Wärmewiderstand im Pfad des primären Wärmestroms, wohingegen der sekundäre Wärmestrom durch diese Ablagerungen nicht be- einflusst wird. Der Block umfasst zwei Temperatursensoren, die in unterschiedlichen Abstän- den von der Sensoroberfläche angeordnet sind und über die eine Temperaturdifferenz mess- bar ist. Sofern die Temperatur am Ende des sekundären Wärmepfads, also die Umge- bungstemperatur, konstant ist, ist die Temperaturdifferenz der Temperatursensoren linear abhängig von der Dicke der Ablagerungen auf der Sensoroberfläche. Das Verfahren ermög- licht somit die Bestimmung von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf der Sensor- oberfläche über die Messung der Temperaturdifferenz in dem wärmeleitfähigen Block, der den primären Wärmestrom führt. Als nachteilig hat sich bei dem bekannten Verfahren aber herausgestellt, dass es Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Dicke der Ablagerung und/oder Verschmutzungen kommen kann, wenn sich eine Eigenschaft des Mediums, dem die Sensoroberfläche ausgesetzt ist, verändert, wie beispielsweise die Temperatur, die Fließ- geschwindigkeit, die Viskosität oder die Konzentration eines Inhaltsstoffs des Mediums. Zur Vermeidung dieser Ungenauigkeiten schlägt die WO 2014/099 755 A1 vor, die anderen Sei- ten des wärmeleitfähigen Blocks mit demselben Medium zu umströmen wie die Sensorober- fläche, so dass die Umgebung des Blocks dieselbe Temperatur aufweist, wie das Medium. Änderungen der Temperatur des flüssigen Mediums wirken sich dann sowohl auf den primä- ren als auch auf den sekundären Wärmestrom aus und kompensieren sich. Allerdings erfor- dert ein derartig umströmter Sensor zusätzliche Leitungen für das Medium und beansprucht relativ viel Bauraum.

Offenbarung der Erfindung

Die A u f g a b e der vorliegenden Erfindung ist es, eine verlässliche Detektion von Ablage- rungen und/oder Verschmutzungen bei Änderungen von Eigenschaften des die Ablagerun- gen und/oder Verschmutzungen hervorrufenden, strömenden Mediums, wie beispielsweise Temperatur, Fließgeschwindigkeit, Viskosität und/oder Konzentration eines Inhaltsstoffs, mit einer kompakten Detektionsvorrichtung zu ermöglichen.

Zur L ö s u n g der Aufgabe wird eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Ablage- rungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche innerhalb eines Gefäßes oder einer Leitung mit einem strömenden Medium vorgeschlagen, wobei die Detektionsvor- richtung umfasst: - einen Detektionsabschnitt, der die Sensoroberfläche aufweist und dazu eingerichtet ist, innerhalb des Gefäßes oder innerhalb der Leitung in Kontakt mit dem strömenden Me- dium angeordnet zu werden,

- einen wärmeleitfähigen Grundkörper, der die Sensoroberfläche aufweist oder mit die- ser in direktem Kontakt steht,

- eine an dem Grundkörper angeordnete Wärme- oder Kältequelle zur Erzeugung eines primären Wärmestroms zwischen der Wärme- oder Kältequelle und der Sensoroberflä- che sowie eines sekundären Wärmestroms zwischen der Wärme- oder Kältequelle und einer Referenzoberfläche,

- einen ersten Temperatursensor, der in einem ersten Abstand von der Sensoroberflä- che an dem Grundkörper angeordnet ist, und einen zweiten Temperatursensor, der in einem zweiten Abstand von Sensoroberfläche an dem Grundkörper angeordnet ist, wobei der zweite Abstand größer ist als der erste Abstand, wobei mittels der Tempera- tursensoren eine Temperaturdifferenz bestimmbar ist,

- einen wärmeleitfähigen Hüllkörper, der einen außerhalb des Detektionsabschnitts an- geordneten Teil des Grundkörpers umhüllt und die Referenzoberfläche aufweist, wobei die Referenzoberfläche Teil des Detektionsabschnitts ist und die Detektionsvorrich- tung eine Außenisolation umfasst, die den Hüllkörper gegenüber seiner äußeren Umgebung isoliert.

Der wärmeleitfähige Grundkörper weist entweder die Sensoroberfläche auf, auf welcher die Ablagerungen und/oder Verschmutzungen detektiert werden können, oder steht mit dieser in direktem Kontakt. Der erste und zweite Temperatursensor sind jeweils in unterschiedlichen Abständen von der Sensoroberfläche angeordnet. Durch die an dem Grundkörper angeord- nete Wärme- oder Kältequelle kann in dem Grundkörper ein Temperaturgradient eingestellt werden, der proportional zu dem primären Wärmestrom ist. Bei unveränderter Sensorober- fläche ist diese Temperaturdifferenz konstant. Bereits geringe Ablagerungen und/oder Ver- schmutzungen auf der Sensoroberfläche führen zu einem Anstieg des Wärmewiderstands, d.h. einer Abnahme des primären Wärmestroms, der als Veränderung der Temperaturdiffe- renz zwischen dem ersten Temperatursensor und zweiten Temperatursensor messbar ist. Aufgrund der an dem Grundkörper angeordneten Wärme- oder Kältequelle kann grundsätz- lich auch bei einem geringen Temperaturunterschied zwischen der Sensoroberfläche und der Umgebung des Grundkörpers eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zwei- ten Temperatursensor eingestellt werden. Es ist daher möglich, Verschmutzungen bzw. Ab- lagerungen auf der Sensoroberfläche verlässlich zu detektieren. Die erfindungsgemäße De- tektionsvorrichtung umfasst zudem einen wärmeleitfähigen Hüllkörper, der den Grundkörper im Bereich außerhalb des Detektionsbereichs, also außerhalb des Gefäßes oder der Leitung, umhüllt. Der Hüllkörper führt den sekundären Wärmestrom und weist die Referenzoberfläche auf, die - ebenso wir die Sensoroberfläche - innerhalb des Gefäßes bzw. der Leitung ange- ordnet wird, um mit dem zu überwachenden strömenden Medium in Kontakt zu stehen. Die Bildung von Ablagerungen bzw. Verschmutzungen auf der Sensoroberfläche führt zu einer messbaren Veränderung des Verhältnisses des primären Wärmestroms zu dem sekundären Wärmestrom. Die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung ermöglicht daher eine zuverläs- sige Bestimmung der Verschmutzungen bzw. Ablagerungen. Gemäß der Erfindung ist vorge- sehen, dass der Detektionsabschnitt, der dazu eingerichtet ist, innerhalb des Gefäßes oder innerhalb der Leitung in Kontakt mit dem strömenden Medium angeordnet zu werden, so- wohl die Sensoroberfläche als auch die Referenzoberfläche aufweist. Zudem ist der Hüllkör- per gegenüber der Umgebung durch die Außenisolation isoliert. Folglich führen sowohl der primäre Wärmestrom (zur Sensoroberfläche) als auch der sekundäre Wärmestrom (zur Re- ferenzoberfläche) in das strömende Medium innerhalb des Gefäßes bzw. der Leitung. Ände- rungen der Flüssigkeit, wie beispielsweise Änderungen der Temperatur, Fließgeschwindig- keit, Viskosität und/oder der Konzentration eines Inhaltsstoffs, wirken sich somit auf den pri- mären und den sekundären Wärmestrom aus und führen nicht zu Ungenauigkeiten bei der Detektion von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen. Der Hüllkörper ist gegenüber der Umgebung durch die Außenisolation isoliert, so dass es weder erforderlich ist, den Hüllkör- per mit der Flüssigkeit zu umströmen noch aktiv zu kühlen oder aktiv zu erwärmen. Bei der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung kann auf zusätzliche Leitungen für die Flüssigkeit bzw. Maßnahmen zur Temperierung des Hüllkörpers verzichtet werden. Es wird eine bau- raumsparende, kompakte Bauweise ermöglicht.

Da die Referenzoberfläche bei der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung - anders als etwa im gemäß dem Stand der Technik nach WO 2014/099 755 A1 - in Kontakt mit der Flüs- sigkeit steht, können sich Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auch auf der Referenz- fläche bilden. Da der sekundäre Wärmestrom durch die Referenzoberfläche geringer ist als der primäre Wärmestrom durch die Sensoroberfläche kann an der Referenzoberfläche eine geringere Temperatur erreicht werden als auf der Sensoroberfläche, so dass die Bildung von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf der Referenzoberfläche möglichst gering ge- halten werden kann.

Das strömende Medium in dem Gefäß oder der Leitung kann ein flüssiges Medium oder ein gasförmiges Medium oder ein teilweise flüssiges und teilweise gasförmiges Medium sein.

Bevorzugt isoliert die Außenisolation den Hüllkörper derart gegenüber seiner äußeren Umge- bung, dass der sekundäre Wärmestrom größer ist als ein parasitärer Wärmestrom zwischen der Wärme- oder Kältequelle und der Umgebung durch den Hüllkörper und durch die Au- ßenisolation.

Der Hüllkörper kann beispielsweise aus einem Metall ausgebildet sein. Bevorzugt ist der Hüllkörper aus Titan ausgebildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Hüllkörper aus einem Kunststoff ausgebildet ist.

Bevorzugt ist der Detektionsabschnitt eine Detektionsoberfläche. Insofern können die Sen- soroberfläche und die Referenzoberfläche miteinander fluchtend angeordnet sein.

Wenn die Detektionsvorrichtung eine Wärmequelle aufweist, ist diese bevorzugt als einstell- bare, besonders bevorzugt regelbare, insbesondere geregelte, Wärmequelle ausgebildet. Wenn die Detektionsvorrichtung eine Kältequelle aufweist, ist diese bevorzugt als einstell- bare, besonders bevorzugt regelbare, insbesondere geregelte, Kältequelle ausgebildet. Durch die einstellbare Wärme- bzw. Kältequelle kann eine Heizleistung bzw. eine Kühllei- stung vorgegeben werden. Eine derartige Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die Temperatur an der Sensoroberfläche durch Einstellen der Wärmequelle bzw. Kältequelle be- einflusst werden kann. Es ist daher möglich, die Temperatur der Sensoroberfläche an die Temperatur des an der Sensoroberfläche anliegenden strömenden Mediums anzupassen. Ferner kann die Detektionseinrichtung genutzt werden, um einen Wärmeübergang über eine Wandung eines Prozessgefäßes oder einer Prozessleitung zu emulieren. Beispielsweise kann eine rechnerische Temperatur an einer Referenzstelle innerhalb des Grundkörpers der- art eingestellt werden, dass diese einer Temperatur an einer Innen- oder Außenwandung des Prozessgefäßes oder der Prozessleitung entspricht. Der Abstand der Referenzstelle von der Sensoroberfläche kann derart gewählt werden, dass dieser - unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs - einer Wandstärke der Wandung des Prozessgefäßes oder der Prozessleitung entspricht.

Als konstruktiv vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung herausgestellt, bei welcher die Wärme- oder Kältequelle und der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor entlang einer virtuellen Geraden angeordnet sind.

Die Wärmequelle kann als Heizelement, beispielsweise als elektrisches, insbesondere resi- stives, Heizelement ausgestaltet sein. Die Kältequelle kann beispielsweise als Peltier-Ele- ment ausgestaltet sein. Bevorzugt ist in dem Grundkörper eine erste Ausnehmung vorgesehen, in welcher der erste Temperatursensor angeordnet ist, und/oder eine zweite Ausnehmung, in welcher der zweite Temperatursensor angeordnet ist, und/oder eine dritte Ausnehmung, in welcher die Wärme- quelle oder die Kältequelle angeordnet ist. Das Vorsehen von Ausnehmungen ermöglicht mit geringen Fertigungsaufwand eine haltbare Befestigung des jeweiligen Temperatursensors bzw. der Wärme- oder Kältequelle an dem Grundkörper. Die dritte Ausnehmung, in welchem die Wärmequelle oder die Kältequelle angeordnet ist, ist bevorzugt an einer rückwärtigen Oberfläche des Grundkörpers angeordnet, die der Sensoroberfläche gegenüberliegt. Die er- ste und zweite Ausnehmung, in dem die Temperatursensoren angeordnet sind, sind bevor- zugt zwischen der Sensoroberfläche und der rückwärtigen Oberfläche angeordnet. Die erste, zweite und/oder dritte Ausnehmung können jeweils als Fase in einer, insbesondere zylindri- schen, Außenwandung des Grundkörpers ausgebildet sein. Alternativ ist es möglich, dass die erste, zweite und/oder dritte Ausnehmung als Sackloch ausgebildet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Grundkörper stabförmig ist, insbesondere mit einem runden Querschnitt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper einen drei- vier- fünf-, sechs-, sieben-, acht- oder mehreckigen Querschnitt auf- weist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper hinsichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit isotrop und homogen ist. Das bedeutet, dass das die Wärmeleitfä- higkeit des Grundkörpers über seine gesamte Ausdehnung identisch ist und nicht abhängig von der Richtung ist, in welcher die Wärmeleitung erfolgt. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann ein linearer Temperaturverlauf in dem Grundkörper ausgehend von der Wärme- oder Kältequelle bis zu der Sensoroberfläche ermöglicht werden. Der Grundkörpers ist insbeson- dere aus einem der folgenden Werkstoffe hergestellt: Stahl, Kupfer, Messing, insbesondere CuZn39Pb3 (veraltete Bezeichnung Ms 58).

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Detektionsvorrichtung ei- nen dritten Temperatursensor umfasst, der in einem dritten Abstand von der Sensoroberflä- che an dem Grundkörper angeordnet ist, wobei der dritte Abstand größer ist als der zweite Abstand. Bevorzugt sind die Wärme- oder Kältequelle und der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor und der dritte Temperatursensor entlang einer virtuellen Gera- den angeordnet. Konstruktiv vorteilhaft ist es, wenn der Grundkörper eine weitere Ausneh- mung, beispielsweise ein weiteres Sackloch, umfasst, in welchem der dritte Temperatursen- sor angeordnet ist. Durch den dritten Temperatursensor können zusätzliche Informationen erhalten werden, welche die Detektion von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen weiter verbessern. Beispielsweise kann der dritte Temperatursensor anstelle des ersten oder an- stelle des zweiten Temperatursensors verwendet werden, sofern der erste oder zweite Tem- peratursensor defekt ist oder aus einem anderen Grund keine Temperatur messen kann. Ferner ist es möglich, sowohl eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatur- sensor und dem zweiten Temperatursensor als auch eine Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten Temperatursensor und dem dritten Temperatursensor zu bestimmen. Aus die- sen Temperaturdifferenzen und dem jeweiligen Abstand der Temperatursensoren unterein- ander kann ein Temperaturgradient zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor und ein Temperaturgradient zwischen dem zweiten und dritten Temperatursensor ermittelt werden. Diese Temperaturgradienten müssen im Idealfall identisch sein. Sollten die Tempe- raturgradienten voneinander abweichen, kann daraus ein Rückschluss auf einen Wärmever- lust in einer Richtung senkrecht zur Gerade zwischen der Wärme- bzw. Kältequelle und der Sensoroberfläche geschlossen werden. Dies kann beispielsweise auf eine schlechte thermi- sche Isolation oder ein unerwünschtes Eindringen eines Mediums in die Detektionsvorrich- tung hinweisen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wärmequelle in einem vierten Abstand von der Sensor- oberfläche angeordnet ist, wobei der vierte Abstand größer ist als der zweite Abstand, ggf. größer ist als der der dritte Abstand.

Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung der Erfindung erwiesen, bei welcher die Detekti- onsvorrichtung eine den Grundkörper umgebende Isolationseinrichtung umfasst, die zwi- schen einer Außenkontur des Grundkörpers und einer Innenkontur des Hüllkörpers angeord- net ist. Bei einer solchen Ausgestaltung befindet sich die Isolationseinrichtung in dem Pfad des zweiten Wärmestroms. Bevorzugt ist der Wärmewiderstand des zweiten Wärmepfads höher als der Wärmewiderstand des ersten Wärmepfads ohne Ablagerungen und/oder Ver- unreinigungen auf der Sensoroberfläche.

Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher die den Grundkörper umgebende Isolations- einrichtung an allen Seiten des Grundkörpers einen identischen Wärmewiderstand aufweist. Insbesondere weist die Isolationseinrichtung an einer der Sensoroberfläche gegenüberlie- genden Stirnseite des Grundkörpers und an einer radialen Umfangsfläche des Grundkörpers einen identischen Wärmewiderstand auf.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die den Grundkörper umgebende Isolations- einrichtung eine Schüttung oder ein poröses Material, beispielsweise einen Schaum, auf- weist. Die Schüttung weist bevorzugt Partikel mit einer Korngröße (volumenäquivalenter Ku- geldurchmesser) im Bereich 1 Mikrometer bis 10 Millimeter, bevorzugt im Bereich 1 Mikro- meter bis 1 Millimeter, besonders bevorzugt im Bereich 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer, beispielsweise im Bereich 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer, auf. Die Korngrößenverteilung der Schüttung ist bevorzugt möglichst homogen. Die Schüttung umfasst bevorzugt organi- sche Partikel, wie beispielweise geschäumtes Polysterol und/oder anorganische Partikel, wie beispielsweise Mineralien, Salze von Mineralsäuren, Puzzolane oder Tonmineralien. Bevor- zugt ist die Schüttung derart zwischen dem Grundkörper und dem Hüllkörper angeordnet, dass sie nicht mobil ist.

Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die den Grundkörper umgebende Isolationseinrichtung ein Gas oder Gasgemisch umfasst oder ein Gas oder Gasgemisch ist, welches zwischen dem Grundkörper und dem Hüllkörper eingeschlossen ist. Das Gasge- misch kann beispielsweise Luft sein.

Bevorzugt weist die Außenisolation einen Isolatorkörper auf. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Außenisolation, die den Hüllkörper gegenüber der Umgebung isoliert, Glaswolle und/oder Holzwolle und/oder Steinwolle aufweist.

Zur L ö s u n g eingangs genannter Aufgabe wird ferner eine Detektionsanordnung zur De- tektion von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen eines strömenden Mediums an einer Wandung eines Gefäßes oder einer Leitung mit einer vorstehend beschriebenen Detektions- vorrichtung vorgeschlagen, wobei der Detektionsabschnitt, der die Sensoroberfläche und die Referenzoberfläche aufweist, als Teil der Wandung vorgesehen ist.

Durch die Verwendung einer solchen Detektionsvorrichtung wird es verlässlich möglich, sol- che Ablagerungen und/oder Verschmutzungen eines strömenden Mediums zu detektieren, die sich an einer Wandung eines Gefäßes oder einer Leitung anlagern. Die Detektionsvor- richtung ist dabei als Teil der Wandung des Gefäßes oder der Leitung vorgesehen, so dass auf der Sensoroberfläche der Detektionsvorrichtung dieselben Ablagerungserscheinungen auftreten, wie auf dem Rest der Wandung.

Bei der Wandung handelt es sich bevorzugt um eine Innenwandung, also eine innere Ober- fläche einer Wandung. Alternativ kann die Wandung eine Außenwandung sein, also eine äu- ßere Oberfläche einer Wandung, beispielsweise einer Außenwandung eines Flammrohrs. Bei dem Gefäß oder der Leitung kann es sich beispielsweise um einen Teil eines Wärme- übertragungssystems, insbesondere eines Wärmetauschers, Reaktors oder eine Mantelküh- lung, oder eine einem solchen Wärmeübertragungssystem vor- oder nachgeschaltete Rohr- leitung handeln. Das Gefäß oder die Leitung kann Teil einer chemischen, insbesondere pe- trochemischen, Anlage sein, beispielsweise Teil einer Verdampferanlage, eines Kühlturms oder eines Rohrbündelwärmetauschers.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Detektionsanordnung sieht mehrere vorstehend be- schriebene Detektionsvorrichtungen vor, wobei der Detektionsabschnitt der jeweiligen Detek- tionsvorrichtung, der die Sensoroberfläche und die Referenzoberfläche aufweist, als Teil der Wandung vorgesehen ist. Eine derartige Ausgestaltung mit mehreren Detektionsvorrichtun- gen ermöglicht einerseits eine redundante Ausgestaltung der Detektionsanordnung. Zudem wird es durch das Vorsehen mehrerer Detektionsvorrichtungen möglich, diese zur Detektion unterschiedlicher Ablagerungen zu nutzen. So kann durch eine unterschiedliche Einstellung der Heizleistung der jeweiligen Wärmequellen bzw. der Kühlleistung der jeweiligen Kühlquel- len der Detektionsvorrichtungen unterschiedliche Temperaturen an der jeweiligen Sensor- oberfläche eingestellt werden. Hierdurch können die Detektionsvorrichtungen eine unter- schiedliche Sensitivität für Ablagerungen aufweisen. Beispielsweise wird es möglich, organi- sche Ablagerungen von anorganischen Ablagerungen zu unterscheiden.

Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen der Detektionsanordnung können auch die im Zusammenhang mit der Detektionsvorrichtung beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale allein oder in Kombination An- wendung finden.

Zur L ö s u n g eingangs genannter Aufgabe trägt ferner ein Verfahren zum Detektieren von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche innerhalb eines Gefä- ßes oder einer Leitung mit einem strömenden Medium, mit einer ersten Detektionsvorrich- tung bei, die umfasst:

- einen wärmeleitfähigen Grundkörper, der die Sensoroberfläche aufweist oder mit die- ser in direktem Kontakt steht,

- eine an dem Grundkörper angeordnete Wärme- oder Kältequelle, die einen primären Wärmestroms zwischen der Wärme- oder Kältequelle und der Sensoroberfläche sowie einen sekundären Wärmestroms zwischen der Wärme- oder Kältequelle und einer Re- ferenzoberfläche erzeugt, - einen Detektionsabschnitt, der die Sensoroberfläche und die Referenzoberfläche auf- weist und innerhalb des Gefäßes oder innerhalb der Leitung in Kontakt mit dem strö- menden Medium angeordnet ist,

- einen wärmeleitfähigen Hüllkörper, der einen außerhalb des Detektionsabschnitts an- geordneten Teil des Grundkörpers umhüllt und die Referenzoberfläche aufweist,

- eine Außenisolation, die den Hüllkörper gegenüber seiner äußeren Umgebung isoliert, und

- einen ersten Temperatursensor, der in einem ersten Abstand von der Sensoroberflä- che an dem Grundkörper angeordnet ist, und einen zweiten Temperatursensor, der in einem zweiten Abstand von Sensoroberfläche an dem Grundkörper angeordnet ist, wobei der zweite Abstand größer ist als der erste Abstand, wobei mittels der Temperatursensoren der ersten Detektionsvorrichtung eine Temperaturdif- ferenz bestimmt wird und anhand der Temperaturdifferenz Ablagerungen und/oder Ver- schmutzungen auf einer Sensoroberfläche detektiert werden.

Bei dem Verfahren können dieselben Wirkungen und Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit der Detektionsvorrichtung gemäß der Erfindung erläutert worden sind.

Bei dem Verfahren wird eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur ermittelt. Besonders bevorzugt wird ein zeitlicher Verlauf der Tempera- turdifferenz überwacht. Aus einer Veränderung der Temperaturdifferenz kann auf Ablagerun- gen und/oder Verschmutzungen auf der Sensoroberfläche geschlossen werden. Daher kann zur Initialisierung der Detektionsvorrichtung eine Kalibrierungsmessung durchgeführt wer- den, in welcher eine Kalibrierungs-Temperaturdifferenz ermittelt wird. Temperaturdifferen- zen, die durch weitere Messungen mit der Detektionsvorrichtung erhalten werden, können dann mit der Kalibrierungs-Temperaturdifferenz verglichen werden.

Bevorzugt wird ein Maß PFL für die Menge bzw. Dicke der Ablagerungen und/oder Ver- schmutzungen bestimmt als wobei ΔT _{12_act} die aktuell gemessene Temperaturdifferenz ist und ΔT _{12_cal} die im Rah- men einer Kalibrierung gemessene Kalibrierungs-Temperaturdifferenz ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Wärmequelle mit einer konstanten Heizleistung betrieben wird oder die Kältequelle mit einer konstanten Kühllei- stung betrieben wird. Durch die Vorgabe einer konstanten Heiz- bzw. Kühlleistung kann ein - unter Vernachlässigung von Ablagerungen an der Sensoroberfläche - zeitlich stabiler Tem- peraturgradient in dem Grundkörper, insbesondere zwischen dem ersten und zweiten Tem- peratursensor, eingestellt werden. Insofern kann aus gemessenen Veränderungen der Tem- peraturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur auf Ablage- rungen an der Sensoroberfläche gefolgert werden.

Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Heizleistung der Wärme- quelle bzw. eine Kühlleistung der Kältequelle in Abhängigkeit von einer Temperatur des die Anlagerungen und/oder Verschmutzungen hervorrufenden strömenden Mediums eingestellt wird. Hierdurch kann eine Ausgestaltung erhalten werden, bei welcher die Temperatur der Heizeinrichtung, der Temperatur des in dem Gefäß oder der Leitung strömenden Medium folgt. Ein solche Ausgestaltung ist insbesondere bei Batch-Prozesses von Vorteil, bei denen sich die Temperatur des strömenden Mediums im Verlauf des Batch-Prozesses verändert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren von Ablagerungen und/oder Verschmut- zungen auf einer Sensoroberfläche innerhalb eines Gefäßes oder einer Leitung mit einem strömenden Medium kann ferner eingesetzt werden, um durch ein, insbesondere flüssiges, Kühlmedium hervorgerufene Ablagerungen an einer Wandung eines Wärmetauschers zu be- stimmen, der einen Wärmeaustausch zwischen einem Prozessmedium und dem Kühlme- dium ermöglicht. Dazu ist es nicht erforderlich, die Detektionsvorrichtung innerhalb des Wär- metauschers anzuordnen. Vielmehr ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die erste Detektionsvorrichtung in einer mit dem Kühlmedium gefüllten Zu- oder Ableitung eines Wärmetauschers angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher einen Wärmeaustausch durch eine Wärmetauscher-Wandung zwischen einem Prozessmedium und dem Kühlmedium ermöglicht, wobei eine Heizleistung der Wär- mequelle bzw. eine Kühlleistung der Kältequelle in Abhängigkeit von einer Prozesstempera- tur des Prozessmediums einstellt wird.

Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur und einer Wärmeleitfähigkeit der Wärmetauscher-Wandung und einer Wandstärke der Wär- metauscher-Wandung ein virtueller Abstand in dem Grundkörper der ersten Detektionsein- richtung von der Sensoroberfläche bestimmt wird, bei welchem die Prozesstemperatur anlie- gen muss, um an der Sensoroberfläche im Wesentlichen dieselbe Temperatur einzustellen wie an der mit dem Kühlmedium in Kontakt stehenden Oberfläche der Wärmetauscher-Wan- dung. Der virtuelle Abstand x _emul kann beispielsweise mit folgender Formel berechnet wer- den: xemul = dw · λ _s /λ _w wobei d _w : Wandstärke der Wärmetauscher-Wandung λ _s : Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers der Detektionsvorrichtung λ _w : Wärmeleitfähigkeit der Wärmetauscher-Wandung.

Die Prozesstemperatur kann durch einen Benutzer vorgegeben werden, also als konstanter Wert oder als Temperaturverlauf. Alternativ ist es möglich, die Prozesstemperatur mittels ei- nes Prozess-Temperatursensors zu messen und die gemessene Prozesstemperatur bei der Bestimmung des virtuellen Abstands x _emul zu berücksichtigen.

Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Heizleistung der Wärmequelle bzw. Kühl- leistung der Kältequelle zusätzlich in Abhängigkeit von den mit dem ersten und zweiten Tem- peratursensor ermitteln Temperaturen derart eingestellt wird, dass in dem virtuellen Abstand von der Sensoroberfläche die Prozesstemperatur erreicht wird. Die Heizleistung P der Wär- mequelle ergibt sich zu

P = λ _s A _s (T ₁ -T ₂ )/(x ₂ -x ₁ ) wobei λ _s : Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers der Detektionsvorrichtung A _s : Querschnittsfläche des Grundkörpers der Detektionsvorrichtung T ₁ : erste Temperatur

T ₂ : zweite Temperatur x ₁ : erster Abstand (Ort des ersten Temperatursensors) x ₂ : zweite Abstand (Ort des zweiten Temperatursensors)

Dabei werden für die erste Temperatur T ₁ und die zweite Temperatur T ₂ folgende Sollwerte in Abhängigkeit von dem virtuellen Abstand x _emul , den Abständen x ₁ , x ₂ der Temperatursen- soren von der Sensorfläche und der vorgegebenen Prozesstemperatur T _P vorgegeben:

T ₁ = _p /x _emul · x ₁

T ₂ = _p /x _emul · x ₂ Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mit einen drit- ten Temperatursensor eine dritte Temperatur gemessen wird, welcher in einem dritten Ab- stand von der Sensoroberfläche an dem Grundkörper angeordnet ist, wobei der dritte Ab- stand größer ist als der zweite Abstand, wobei ein erster Temperaturgradient zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor und ein zweiter Temperaturgradient zwischen dem zweiten und dritten Temperatursensor ermittelt, bevorzugt miteinander verglichen wird. Der erste Temperaturgradient kann anhand einer Temperaturdifferenz der ersten und zweiten Temperatur und den Abstand des ersten und zweiten Temperatursensors voneinander ermit- telt werden. Ebenso kann der zweite Temperaturgradient anhand einer Temperaturdifferenz der zweiten und dritten Temperatur und dem Abstand des zweiten und dritten Temperatur- sensors ermittelt werden. Diese Temperaturgradienten müssen im Idealfall identisch sein. Sollten die Temperaturgradienten voneinander abweichen, kann daraus ein Rückschluss auf einen Wärmeverlust in einer Richtung senkrecht zur Gerade zwischen der Wärme- bzw. Käl- tequelle und der Sensoroberfläche geschlossen werden. Dies kann beispielsweise auf eine schlechte thermische Isolation oder ein unerwünschtes Eindringen eines Mediums in die De- tektionsvorrichtung hinweisen. Besonders bevorzugt wird ein dritter Temperaturgradient zwi- schen dem ersten und dem dritten Temperatursensor ermittelt. Der dritte Temperaturgradient kann anhand einer Temperaturdifferenz der ersten und dritten Temperatur und den Abstand des ersten und dritten Temperatursensors voneinander ermittelt werden. Der dritte Tempera- turgradient kann mit dem ersten und oder zweiten Temperaturgradient verglichen werden. Denn auch diese Temperaturgradienten müssen im Idealfall identisch sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Tempe- raturdifferenz zwischen der ersten und zweiten Temperatur ermittelt wird und in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz ein Additiv in das Prozessgefäß oder in die Prozess- leitung eingeleitet wird. Bei einer derartigen Ausgestaltung können Ablagerungen bei ihrem Entstehen, insbesondere in Echtzeit, erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen unmittelbar eingeleitet werden. So kann das Additiv beispielsweise in Reaktion auf eine Veränderung der ermittelten Temperaturdifferenz in das Prozessgefäß oder die Prozessleitung eingeleitet wer- den, um die erkannten Ablagerungen und/oder Verschmutzungen zu entfernen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Einleitung zeitlich kurz nach dem Erkennen der Ablagerung erfolgt, da zu diesem Zeitpunkt etwaige Kristallisations- oder Polymerisierungsreaktionen noch nicht vollständig abgeschlossen sind. Bei dem Additiv kann es sich um eine Härtestabilisator oder einen Dispergator handeln. Bevorzugt wird eine Menge des eingeleiteten Additivs in Abhän- gigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz bzw. der ermittelten Änderung der Tempera- turdifferenz eingestellt, so dass eine verschmutzungssituationsabhängige Dosierung des Ad- ditivs erfolgt. Hierdurch können übermäßige Gaben des Additivs verhindert werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine zweite Detektionsvorrich- tung vorgesehen ist, die einen, insbesondere stabförmigen, zweiten Grundkörper umfasst, der eine zweite Sensoroberfläche aufweist, welche als Teil der Wandung vorgesehen ist, wobei mit einem weiteren ersten Temperatursensor, der in einem weiteren ersten Abstand von der zweiten Sensoroberfläche an dem zweiten Grundkörper angeordnet ist, eine weitere erste Temperatur gemessen wird, wobei mit einem weiteren zweiten Temperatursensor, der in einem weiteren zweiten Abstand von zweiten Sensoroberfläche an dem zweiten Grundkör- per angeordnet ist, wobei der weitere zweite Abstand größer ist als der weitere erste Ab- stand, eine weitere zweite Temperatur gemessen wird, und wobei mit einer an dem zweiten Grundkörper angeordneten zweiten Wärmequelle oder zweiten Kältequelle, ein Temperatur- gradient zwischen dem weiteren ersten Temperatursensor und dem weiteren zweiten Tem- peratursensor erzeugt wird, wobei die erste Wärmequelle oder die erste Kältequelle derart betrieben wird, dass an der ersten Sensoroberfläche eine erste Oberflächentemperatur, ins- besondere im Bereich zwischen 35°C und 40°C, eingestellt wird und die zweite Wärmequelle oder die zweite Kältequelle derart betrieben wird, dass an der zweiten Sensoroberfläche eine zweite Oberflächentemperatur, insbesondere im Bereich zwischen 45°C und 55°C, einge- stellt wird, die sich von der ersten Oberflächentemperatur unterscheidet. Durch die Verwen- dung einer ersten und einer zweiten Detektionsvorrichtung wird es bei dem Verfahren mög- lich, verschiedene Ablagerungen und/oder Verschmutzungen voneinander zu unterscheiden und ggf. durch unterschiedliche Maßnahmen zu bekämpfen. Wird beispielsweise die erste Oberflächentemperatur im Bereich zwischen 35°C und 40°C, insbesondere auf 37°C, einge- stellt, so lagern sich auf der ersten Sensoroberfläche vermehrt organische Ablagerungen und/oder Verschmutzungen an. Wird die zweite Oberflächentemperatur im Bereich zwischen 45°C und 55°C, insbesondere auf 50 °C, eingestellt, so lagern sich auf der zweiten Sensor- oberfläche vermehrt anorganische Ablagerungen und/oder Verschmutzungen ab. Durch ei- nen Vergleich der von den beiden Detektionsvorrichtungen erfassten Temperaturdifferenzen kann auf die Zusammensetzung der in dem Gefäß oder in der Leitung gebildeten Ablagerun- gen und/oder Verschmutzungen geschlossen werden. Bevorzugt wird die erste Oberflächen- temperatur und die zweite Oberflächentemperatur derart eingestellt, dass eine Oberflächen- temperaturdifferenz zwischen der ersten Oberflächentemperatur und der zweiten Oberflä- chentemperatur in einem Bereich von 1 °C bis 100°C oder in einem Bereich von 1 °C bis 75°C Bereich von 1 °C bis 50°C oder Bereich von 1 °C bis 40°C oder Bereich von 1 °C bis 30°C oder Bereich von 1 °C bis 20°C oder Bereich von 1 °C bis 10°C oder Bereich von 1 °C bis 5°C oder Bereich von 1 °C bis 3°C liegt. Beispielsweise kann die Oberflächentemperaturdifferenz auf 1 °C oder 2°C oder 3°C oder 4°C oder 5°C oder 6°C oder 7°C oder 8°C oder 9°C oder 10°C oder 15°C oder 20°C eingestellt werden. Bevorzugt wird eine erste Temperaturdifferenz mit der ersten Detektionsvorrichtung ermittelt und ein erstes Additiv in Abhängigkeit von der ermittelten ersten Temperaturdifferenz in das Prozessgefäß oder in die Prozessleitung eingeleitet und eine zweite Temperaturdifferenz mit der zweiten Detektionsvorrichtung ermittelt und ein zweites Additiv in Abhängigkeit von der ermittelten zweiten Temperaturdifferenz in das Prozessgefäß oder in die Prozessleitung ein- geleitet. Dieses Vorgehen bietet den Vorteil, dass die Zugabe von Additiven auf die detek- tierte Zusammensetzung der Ablagerungen abgestimmt erfolgen kann. Überdosierungen können auf diese Weise wirksam vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann in Ab- hängigkeit von der ermittelten ersten oder zweiten Temperaturdifferenz ein Alarm ausgelöst werden oder es kann in Abhängigkeit von der ermittelten ersten oder zweiten Temperaturdif- ferenz ein Prozessparameter eingestellt werden.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein Verlauf einer Temperatur des strömen- den Mediums vorgegeben wird, wobei der Verlauf eine aktuelle erste Prozesstemperatur und eine zukünftige, zweite Prozesstemperatur umfasst, wobei die erste Oberflächentemperatur die erste Prozesstemperatur ist und die zweite Oberflächentemperatur die zweite Prozes- stemperatur ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann mit der zweiten Detektionsvorrich- tung eine Emulation des Prozessverlauf erfolgen, so dass zukünftig (also bei der zweiten Prozesstemperatur) wahrscheinlich auftretende Ablagerungen und/oder Verunreinigungen bereits erkannt werden können, bevor sie im Prozessverlauf tatsächlich auftreten.

Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens können auch die im Zusammenhang mit der Detektionsvorrichtung und/oder Detektionsanordnung beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale allein oder in Kombination Anwendung bei dem Verfahren finden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnun- gen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen an- hand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausfüh- rungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Detektionsvorrichtung gemäß der Erfin- dung in einer schematischen Schnittdarstellung. Die Fig. 2 zeigt die Detektionsvorrichtung nach Fig. 1 mit Hervorhebung der wesentlichen Wärmeströme.

Die Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Detektionsanordnung mit einer Detekti- onsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Detektionsanordnung mit mehreren Detektionsvorrichtungen gemäß der Erfindung.

Die Fig. 5 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Vorgänge beim Emulieren des Wärmeübergangs in einem Wärmetauscher.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver- sehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

Die Darstellungen in Fig. 1 und 2 zeigen eine Detektionsvorrichtung 1 zum Detektieren von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche 3 innerhalb eines Ge- fäßes oder einer Leitung 11 , das oder die mit einem in einer Strömungsrichtung F strömen- den Medium 40 gefüllt ist. Die Detektionsvorrichtung 1 umfasst einen Detektionsabschnitt 25, der innerhalb des Gefäßes oder innerhalb der Leitung 11 in Kontakt mit dem Medium 40 an- geordnet ist und daher auch als Innenabschnitt bezeichnet werden kann. Der Detektionsab- schnitt 25 umfasst sowohl die Sensoroberfläche 3 als auch eine Referenzoberfläche 21 . Fer- ner weist die Detektionsvorrichtung 1 einen Außenabschnitt 26 auf, der außerhalb des Gefä- ßes bzw. der Leitung 11 angeordnet ist.

Der Grundkörper 2 ist stabförmig ausgebildet und weist einen runden Querschnitt auf. Hin- sichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit ist der Grundkörper 2 isotrop und homogen ausgestaltet. Insofern handelt es sich um einem im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 2. An dem Grundkörper 2 sind mehrere, hier genau drei, Temperatursensoren 4, 5, 6 angeordnet. Ein erster Temperatursensor 4 ist dabei in einem ersten Abstand von der Sensoroberfläche 3 an dem Grundkörper 2 angeordnet und ein zweiter Temperatursensor 5 ist in einem zweiten Ab- stand von Sensoroberfläche 3 an dem Grundkörper 2 angeordnet, der größer ist als der er- ste Abstand. Ein dritter Temperatursensor 6 befindet sich an dem Grundkörper 2 in einem dritten Abstand, der größer ist als der zweite Abstand. Alle Temperatursensoren sind auf ei- ner gemeinsamen virtuellen Geraden angeordnet, die senkrecht auf der Sensoroberfläche 3 steht.

Die Sensoroberfläche 3 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als separate Abschlussplatte, beispielsweise aus einem Metall, bevorzugt aus Titan, ausgebildet. Der Grundkörper 2 ist un- mittelbar mit der Abschlussplatte verbunden. Alternativ ist es möglich, dass die Sensorober- fläche 3 Teil des Grundkörpers 2 ist. Zwischen der Sensoroberfläche 3 und der Referenz- oberfläche 21 ist eine Isoliereinrichtung 8 vorgesehen, welche die beiden Oberflächen ther- misch isoliert. Die Isoliereinrichtung 8 kann beispielsweise aus PEEK ausgebildet sein.

Ein weiterer Bestandteil der Detektionsvorrichtung 1 ist eine an dem Grundkörper angeord- nete Wärmequelle 7, mit welcher eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Tempera- tursensor 4 und zweiten Temperatursensor 5 bzw. zwischen dem zweiten Temperatursensor 5 und dem dritten Temperatursensor 6 bzw. zwischen dem ersten Temperatursensor 4 und dem dritten Temperatursensor 6 erzeugt werden kann. Anstelle der Wärmequelle 7 kann al- ternativ eine Kältequelle vorgesehen sein. Die Wärmequelle 7 ist gemäß dem Ausführungs- beispiel als elektrisches Heizelement ausgestaltet, welches den Grundkörper resistiv behei- zen kann. Die Wärmequelle 7 ist in einem vierten Abstand von der Sensoroberfläche 3 ange- ordnet, welcher größer ist als der erste, zweite und dritte Abstand. Im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel ist die Wärmequelle 7 an einer rückwärtigen Oberfläche des Grundkörpers 2 angeordnet, welche der Sensoroberfläche des Grundkörpers 2 gegenüberliegend angeord- net ist. In dem Grundkörper 2 wird somit ausgehend von der Wärmequelle 7 in bis zu der Sensoroberfläche 3 ein erster Wärmepfad bereitgestellt, der den primären Wärmestrom lei- tet, vgl. Fig. 2.

Die Detektionsvorrichtung 1 umfasst ferner einen Hüllkörper 19, der den Grundkörper 2 an seiner Umfangsseite sowie der Stirnseite, die der Sensoroberfläche 3 gegenüberliegt, um- hüllt. Insofern wird der Beriech des Grundkörpers 2, der im Außenbereich 26 angeordnet ist, von dem Hüllkörper 19 umhüllt und lediglich der Detektionsabschnitt 25 freigegeben. Der Hüllkörper 19 kann beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Titan, ausgestaltet sein. Über den Hüllkörper 19 wird ein zweiter Wärmepfad bereitgestellt, den sekundären Wär- mestrom Q2 führt, welcher ausgehend von der Wärmequelle 7 durch den Hüllkörper 19 bis zu der Referenzoberfläche 21 des Hüllkörpers 19 verläuft, vgl. Fig. 2. Zwischen dem Grundkörper 2 und dem Hüllkörper 19 ist eine Isolationseinrichtung 9 ange- ordnet. Diese ist als Schüttung oder als poröses Material ausgebildet. Alternativ kann die Iso- lationseinrichtung 9 ein Gas oder Gasgemisch, beispielsweise Luft, umfassen. Die Außen- kontur des Hüllkörpers 19 ist zur Umgebung durch eine Außenisolation 22 isoliert. Die Au- ßenisolation weist einen Isolatorkörper auf, der beispielsweise aus Glaswolle ausgebildet ist.

Für die in Fig. 2 gezeigte Detektionsvorrichtung 1 gelten folgende Zusammenhänge, wobei die Heizeinrichtung 7 eine Leistung P und eine Temperatur T _H aufweist und das strömende Medium 40 eine Temperatur T _w :

(1 )

(3)

(7) R _th1 = R _1A + R _1B + R _{1 C} + R _1F

(8) R _th2 = R _2A + R _2B + R _{2 C} + R _2F

P ... Heizleistung der Heizeinrichtung 7

Q1 ... Wärmestrom Pfad 1

Q ₂ ... Wärmestrom Pfad 1

TH ... Temperatur der Heizeinrichtung 7

Tw ... Temperatur des strömenden Mediums 40 ΔT _HW ... Temperaturdifferenz Heizeinrichtung 7 zu dem strömenden Medium 40

R _th1 ... absoluter Wärmewiderstand Pfad 1

R _th2 ... absoluter Wärmewiderstand Pfad 2

R _{1 A} ... Wärmewiderstand Pfad 1 Messstab

R _{1 B} ... Wärmewiderstand Pfad 1 Kontaktplatte

R _1C ... Wärmewiderstand Pfad 1 Übergang zum strömenden Medium 40 R _1F ... Wärmewiderstand Pfad 1 Ablagerung (Fouling)

R _2A ... Wärmewiderstand Pfad 2 Innenisolierung

R _2B ... Wärmewiderstand Pfad 2 Gehäusehülse

R _2C ... Wärmewiderstand Pfad 2 Übergang zum strömenden Medium 40

R _2F ... Wärmewiderstand Pfad 2 Ablagerung (Fouling) Für die Messstrecke mit dem Wärmestrom Q1 und den Messpunkten P ₁ (erster Temperatur- sensor 4 mit der Temperatur T ₁ ) und P ₂ (zweiter Temperatursensor 5 mit der Temperatur T ₂ ) gilt:

T ₁ ... Temperatur des Grundkörpers 2 an Punkt P1

T ₂ ... Temperatur des Grundkörpers 2 an Punkt P ₂ ΔT ₁₂ ... Temperaturdifferenz zwischen Punkten P ₁ und P ₂

R _{1A_12} ... Wärmewiderstand im primären Wärmepfad 1 zwischen Punkten P ₁ und P ₂

Ein Maß für die Menge bzw. Dicke der Ablagerungen und/oder Verschmutzungen ist der Per- formance loss PFL in %. Dieser ist definiert für Messungen ohne Ablagerungen (Kalibrie- rung=cal) und aktuelle Messungen (act) nach: ΔT _{12_act} ... aktuell gemessene Temperaturdifferenz ΔT _{12_cal} ... während der Kalibrierung (ohne Ablagerung) gemessene Temperaturdifferenz

Aus (10) ergibt sich unter Benutzung von (9) (RIA_I2 ist unveränderlich): und mit (5)

Unter der Voraussetzung, dass der Wärmewiderstand im primären Wärmepfad kleiner als ist als im sekundären Wärmepfad und die Widerstandserhöhung durch Ablagerungen kleiner ist als der Widerstand des primären Wärmepfads

(13) R _{th2_cal} > R _{th1_cal} > R _1F ,R _2F gilt näherungsweise:

Somit ergibt sich aus (12):

(15)

Da gilt:

(16) R _1A > R _2A > R _1B > R _2B = const folgt unter der Annahme:

(17) mit (7), (8), (15):

(18) und mit (13)

(19)

K ... Sensorkonstante

Somit ist das Maß PFL (der perfomance loss) proportional zu dem Wärmewiderstand der Ab- lagerungen im primären Wärmepfad:

(20) PFL~ R _1Fact

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Detektionsanordnung 10 zur Detektion von Abla- gerungen eines strömenden Mediums an einer Innenwandung 12 eines Prozessgefäßes oder einer Prozessleitung 11 gezeigt. Die Detektionsanordnung 10 umfasst eine Detektions- vorrichtung 1 , die nach dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein kann. In der Innenwandung 12 der Leitung 11 ist eine Ausnehmung vorgesehen, in welche die Detektionsvorrichtung 1 mit ihrem Detektionsabschnitt 25 hineinragt, so dass die Sensor- Oberfläche 3 und die Referenzoberfläche 21 als Teil der Innenwandung 12 der Prozesslei- tung 11 vorgesehen sind. In der Leitung 11 wird ein Kühl- oder Prozessmedium in einer För- derrichtung F gefördert. Dabei bilden sich Ablagerungen 13 an der Innenwandung 12 und Ablagerungen 13 an der Sensoroberfläche 3, welche mit den Ablagerungen 13 auf der In- nenwandung 12 korreliert werden können, aus, die mit der Detektionsvorrichtung 1 erkannt werden können.

Die Wärmequelle 7 der Detektionsvorrichtung 1 wird mit einer konstanten Heizleistung be- trieben, um dadurch einen Temperaturgradient zwischen dem ersten Temperatursensor 4 und zweiten Temperatursensor 5 erzeugt. Zum Überwachen der Ablagerungen 13 wird mit dem ersten Temperatursensor 4 der Detektionsvorrichtung 1 eine erste Temperatur und mit dem zweiten Temperatursensor 5 der Detektionsvorrichtung 1 eine zweite Temperatur ge- messen. In der mit der Detektionsvorrichtung 1 verbundenen Auswerteeinheit 20 wird das oben beschriebene Maß PFL berechnet. Dieses Maß PFL ist proportional zur Dicke der Ab- lagerungen an der Innenwandung 12. Die Auswerteeinheit 20 berechnet diese Dicke und kann diese über eine Schnittstelle 30 an ein übergeordnetes System, beispielsweise eine Prozessleitanlage weiterleiten.

Gemäß einer Abwandlung des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist die Detektions- vorrichtung 1 in einer mit einem flüssigen Kühlmedium gefüllten Zu- oder Ableitung 11 eines Wärmetauschers angeordnet, wobei der Wärmetauscher einen Wärmeaustausch durch eine Wärmetauscher-Wandung zwischen einem Prozessmedium und dem Kühlmedium ermög- licht, wobei eine Heizleistung der Wärmequelle bzw. eine Kühlleistung der Kältequelle in Ab- hängigkeit von einer Prozesstemperatur des Prozessmediums einstellt wird. Auf diese Weise können durch das flüssige Kühlmedium hervorgerufene Ablagerungen an einer Wandung des Wärmetauschers bestimmt werden, ohne dass es dazu erforderlich ist, die Detektions- vorrichtung innerhalb des Wärmetauschers anzuordnen. Insofern handelt es sich um eine Emulation der Vorgänge an der Wandung des Wärmetauschers mittels der Detektionsvor- richtung. Die Emulation ist grafisch in Fig. 5 zusammengefasst und basiert darauf, dass die Prozesstemperatur T _P , die Wärmeleitfähigkeit λ _w der Wärmetauscher-Wandung und die Wandstärke d _w der Wärmetauscher-Wandung bekannt sind. Ausgehend von diesen Parame- ter des Wärmetauschers und des Prozesses wird ein virtueller Abstand x _emul in dem Grund- körper 2 der Detektionseinrichtung 1 von der Sensoroberfläche 3 bestimmt, bei welchem die Prozesstemperatur anliegen muss, um an der Sensoroberfläche 3 im Wesentlichen dieselbe Temperatur einzustellen wie an der mit dem strömenden Kühlmedium in Kontakt stehenden Oberfläche der Wärmetauscher-Wandung. Der virtuelle Abstand x _emul berechnet sich wie folgt: x _emul = d _w · _s /λ _w

Die Heizleistung P Wärmequelle 7 wird in Abhängigkeit von den mit dem ersten und zweiten Temperatursensor 4, 5 ermitteln Temperaturen Ti, T ₂ derart eingestellt, dass in dem virtuel- len Abstand x _emul von der Sensoroberfläche 3 die Prozesstemperatur T _P erreicht wird. Die Heizleistung P der Wärmequelle 7 ergibt sich zu

P = λ _s A _s (T ₁ -T ₂ )/(x ₂ -x ₁ ) wobei

X _s : Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers der Detektionsvorrichtung A _s : Querschnittsfläche des Grundkörpers der Detektionsvorrichtung T ₁ : erste Temperatur T ₂ : zweite Temperatur x ₁ : erster Abstand (Ort des ersten Temperatursensors) x ₂ : zweite Abstand (Ort des zweiten Temperatursensors)

Dabei werden für die erste Temperatur Ti und die zweite Temperatur T ₂ folgende Sollwerte in Abhängigkeit von dem virtuellen Abstand x _emul , den Abständen x ₁ , x ₂ der Temperatursen- soren von der Sensorfläche und der vorgegebenen Prozesstemperatur T _P vorgegeben:

T ₁ = T _p /x _emul · x ₁

T ₂ = T _p /x _emul · x ₂

Die Darstellung in Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Detektionsanordnung 10 zur Detektion von Ablagerungen eines Prozessmediums an einer Innenwandung 12 eines Gefäßes oder einer Leitung 11 , welches im Wesentlichen dem in Fig. 3 gezeigten entspricht. Im Unterschied zu der Detektionseinrichtung nach Fig. 3 sind bei diesem Ausführungsbei- spiel mehrere, hier genau zwei, Detektionsvorrichtungen 1 , T vorgesehen und derart an der Leitung 11 angeordnet, dass die jeweilige Sensoroberfläche 3, 3‘ der Detektionsvorrichtung 1 , T als Teil der Innenwandung 12 der Leitung 11 vorgesehen ist. Durch die beiden Detekti- onsvorrichtung 1 , T ist es möglich, verschiedene Ablagerungen und/oder Verschmutzungen voneinander zu unterscheiden und ggf. durch unterschiedliche Maßnahmen zu bekämpfen. Wird beispielsweise die erste Oberflächentemperatur der ersten Sensoroberfläche 3 im Be- reich zwischen 35°C und 40°C, insbesondere auf 37°C, eingestellt, so lagern sich auf der er- sten Sensoroberfläche 3 vermehrt organische Ablagerungen und/oder Verschmutzungen an. Wird die zweite Oberflächentemperatur der zweiten Sensoroberfläche 3‘ im Bereich zwi- schen 45°C und 55°C, insbesondere auf 50 °C, eingestellt, so lagern sich auf der zweiten Sensoroberfläche 3‘ vermehrt anorganische Ablagerungen und/oder Verschmutzungen ab. Durch einen Vergleich der von den beiden Detektionsvorrichtungen 1 , 1' erfassten Tempera- turdifferenzen, beispielsweise in der Auswerteeinheit 20, kann auf die Zusammensetzung der in der Leitung 11 gebildeten Ablagerungen 13 geschlossen werden. Anhand dieser Erkennt- nisse kann eine Zusammensetzung von Additiven ermittelt werden, die zum Abbau der Abla- gerungen 13 in die Leitung 11 geleitet werden.

Beispielsweise kann eine erste Temperaturdifferenz mit der ersten Detektionsvorrichtung 1 ermittelt und ein erstes Additiv in Abhängigkeit von der ermittelten ersten Temperaturdiffe- renz in die Leitung 11 eingeleitet und eine zweite Temperaturdifferenz mit der zweiten Detek- tionsvorrichtung 1' ermittelt und ein zweites Additiv in Abhängigkeit von der ermittelten zwei- ten Temperaturdifferenz in die Leitung 11 eingeleitet werden.

Mit den vorstehend beschriebenen Detektionsvorrichtungen 1, 1' kann ein Verfahren zum Detektieren von Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche 3 in- nerhalb eines Gefäßes oder einer Leitung 11 mit einem strömenden Medium 40, mit einer ersten Detektionsvorrichtung 1 durchgeführt werden, die umfasst:

- einen wärmeleitfähigen Grundkörper 2, der die Sensoroberfläche 3 aufweist oder mit dieser in direktem Kontakt steht,

- eine an dem Grundkörper 2 angeordnete Wärme- oder Kältequelle 7, die einen primären Wärmestroms Q1 zwischen der Wärme- oder Kältequelle 7 und der Sensoroberfläche 3 sowie einen sekundären Wärmestroms Q2 zwischen der Wärme- oder Kältequelle 7 und einer Referenzoberfläche 21 erzeugt,

- einen Detektionsabschnitt, der die Sensoroberfläche 3 und die Referenzoberfläche 21 aufweist und innerhalb des Gefäßes oder innerhalb der Leitung in Kontakt mit dem strö- menden Medium 40 angeordnet ist,

- einen wärmeleitfähigen Hüllkörper 19, der einen außerhalb des Detektionsabschnitts an- geordneten Teil des Grundkörpers 2 umhüllt und die Referenzoberfläche 21 aufweist,

- eine Außenisolation 22, die den Hüllkörper 19 gegenüber seiner äußeren Umgebung isoliert, und

- einen ersten Temperatursensor 4, der in einem ersten Abstand von der Sensoroberflä- che 3 an dem Grundkörper 2 angeordnet ist, und einen zweiten Temperatursensor 5, der in einem zweiten Abstand von Sensoroberfläche 3 an dem Grundkörper 2 angeord- net ist, wobei der zweite Abstand größer ist als der erste Abstand, wobei mittels der Temperatursensoren 4, 5 der ersten Detektionsvorrichtung 1 eine Tempe- raturdifferenz bestimmt wird und anhand der Temperaturdifferenz Ablagerungen und/oder Verschmutzungen auf einer Sensoroberfläche detektiert werden. Bezugszeichenliste

1 Detektionsvorrichtung

2 Grundkörper

3 Sensoroberfläche

4 Temperatursensor

5 Temperatursensor

6 Temperatursensor

7 Wärmequelle

8 Isoliereinrichtung

9 Isoliereinrichtung

10 Detektionsanordnung

11 Leitung

12 Wandung

13 Ablagerung

18 Durchgangsbohrung

19 Hüllkörper

20 Auswerteeinheit

21 Referenzoberfläche

22 Außenisolation

25 Detektionsabschnitt (Innenabschnitt)

26 Außenabschnitt

30 Schnittstelle

40 strömendes Medium (Flüssigkeit)

F Förderrichtung

Q ₁ primärer Wärmestrom

Q ₂ sekundärer Wärmestrom