Beschreibung

Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums, Messumformer und An- triebseinrichtung für eine derartige Einrichtung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums in einem Behälter, insbesondere in einem Reaktor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Messumformer für eine derartige Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 sowie eine Antriebseinrichtung für eine derartige Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

In prozesstechnischen Anlagen der chemischen, pharmazeutischen, biochemischen oder lebensmitteltechnischen Industrie werden meist Messumformer zur Bestimmung physikalischer oder chemischer Eigenschaften des Prozessmediums verwendet, die mittels aufwendiger Flansche oder Durchführungen an medien- führenden Behältern oder Rohren befestigt werden müssen. Das hat jedoch den Nachteil, dass mit einem Messumformer lediglich die am Einbauort des Messumformers vorherrschenden Medieneigenschaften bestimmt werden können. Für eine ortsabhängige Erfassung der Eigenschaften des Mediums ist eine Viel- zahl von Messumformern erforderlich, die jeweils an den Orten eingebaut werden müssen, an denen Messwerte zu erfassen sind. Diese Vorgehensweise ist jedoch sehr aufwendig.

Aus der WO 2007/061306 Al ist ein Steuerungssystem für pro- zesstechnische Anlagen bekannt, das Sensoren und Aktuatoren aufweist, die im Medium beweglich schwimmen. Die dort beschriebenen Sensoren sind ebenfalls Messumformer, die zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe des Mediums dienen. Dadurch ist eine ortsabhängige Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe des Mediums möglich und Prozesse, in welchen das Prozessmedium beispielsweise nicht homogen durchmischt ist oder in welchen örtlich unterschiedliche Prozessbedingungen auftreten, können besser geführt

werden, so dass schließlich eine Steigerung der Qualität der erzeugten Produkte erzielt wird.

Der bekannte Messumformer ist zwar mit einem Energiespeicher zu seiner Versorgung mit der zum Betrieb erforderlichen Energie versehen, durch eine Antriebseinrichtung, die zur Bewegung des Messumformers im Medium dient, wird jedoch ein wesentlicher Teil des Energievorrats für eine Messfahrt verbraucht. Der Energiespeicher muss daher häufig gewechselt oder - im Falle eines ladbaren Speichers - nachgeladen werden. Dies ist mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden bzw. die Einsatzzeiten des Messumformers werden begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums in einem Behälter, insbesondere in einem Reaktor, zu schaffen, die eine Verringerung der zur Bewegung des Messumformers im Medium erforderlichen Energie ermöglicht. Weitere Aufgaben sind, einen dafür geeigneten Mess- umformer sowie eine Antriebseinrichtung für eine derartige Einrichtung zu erhalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen, ein neuer Messumformer in Anspruch 8 und eine neue Antriebseinrichtung in Anspruch 9 beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die zum Antrieb des Mess- Umformers erforderliche Energie im Wesentlichen außerhalb des Behälters erzeugt und verbraucht wird und dass somit zur Durchführung einer Messfahrt nur geringe oder keine Energie aus dem Energiespeicher des Messumformers entnommen werden muss. Durch entsprechende Einstellungen von Richtung und Stärke des außerhalb des Behälters erzeugten Magnetfelds ist die Durchführung von Messfahrten auf weitgehend beliebiger Bahn möglich. Ebenso ist es ohne Weiteres erreichbar, dass ein Messumformer im Behälter an einer beliebigen Stelle ver-

harrt und dort eine zeitliche Messreihe durchführt. Eine Drehung des Messumformers um seine eigene Achse kann durch geeignete Gewichtsverteilung im Messumformergehäuse vermieden werden.

Ist der Messumformer zur Erzeugung einer magnetfeldabhängigen Kraft mit einem Permanentmagneten versehen, so hat dies den Vorteil, dass für den Antrieb des Messumformers im Medium keine Energie aus einem Energiespeicher entnommen werden muss. Aufgrund der dauerhaften Polarität von Permanentmagneten sind im Unterschied zur Verwendung magnetisierbarer Materialien weitgehend beliebige, auf den Messumformer wirkende Antriebskräfte erzeugbar.

Wenn im Medium ein Magnetfeld mit veränderlicher Richtung erzeugbar ist, hat dies den Vorteil, dass auch die Wirkungsrichtung der magnetfeldabhängigen Kraft zur Bewegung des Messumformers entsprechend eingestellt werden kann. Dadurch werden Messfahrten mit weitgehend beliebigen Bahnverlauf er- möglicht.

Ergänzend oder alternativ zur Erzeugung einer Antriebskraft durch magnetische Wechselwirkung kann sich die spezifische Dichte des Messumformers von der spezifischen Dichte des Me- diums unterscheiden, so dass aufgrund des Auftriebs eine auf den Messumformer wirkende Antriebskraft zur Bewegung des Messumformers in einer Messfahrt von einer Ausgangslage zu einer Endlage vorhanden ist und dass die Antriebseinrichtung als eine Art Fördereinrichtung den Messumformer von der End- läge zurück zur Ausgangslage für die nächste Messfahrt transportiert. Das hat ebenfalls den Vorteil, dass Messfahrten des Messumformers praktisch ohne Verbrauch von Betriebsenergie aufgrund eines Unterschieds des spezifischen Gewichts des Messumformers zum spezifischen Gewicht des Mediums durchge- führt werden können. Selbstverständlich werden die tatsächliche Bahn der Messfahrt und die Bewegungsgeschwindigkeit zusätzlich durch Medienströmungen sowie durch die Viskosität des Mediums beeinflusst. Dabei erlaubt die ausschließliche

Nutzung der Differenz zwischen Gewicht des MessUmformers und der durch seine Verdrängung im Medium erzeugten Auftriebskraft bei Abstimmung des spezifischen Gewichts auf das spezifische Gewicht des Mediums bereits eine begrenzte Kontrolle der erzielten Bewegungsgeschwindigkeit. Auch bei ruhendem Medium können durch den Einsatz von strömungstechnischen Mitteln, wie zum Beispiel Flügel oder Leitblechen, begrenzte Abweichungen der Bahn einer Messfahrt von einer vertikalen Bewegungsbahn erzielt werden. Ist das spezifische Gewicht des Messumformers während einer Messfahrt veränderbar, beispielsweise durch Veränderung des Verdrängungsvolumens des Messumformers durch eine Gasblase mit einstellbarem Volumen, so kann durch exakte Einstellung des spezifischen Gewichts des Messumformers auf das spezifische Gewicht des Mediums er- reicht werden, dass der Messumformer auf einer gewünschten

Position für eine gewünschte Zeitdauer verbleibt, um von diesem Ort einen zeitlichen Verlauf der zu messenden physikalischen oder chemischen Größe zu gewinnen. Nach Abschluss der Messreihe kann der Messumformer seine Messfahrt in Richtung einer Endlage fortsetzen. Durch die Fördereinrichtung, welche zum Transport des Messumformers von der Endlage zurück zur Ausgangslage für die nächste Messfahrt vorgesehen ist, wird sichergestellt, dass weitere Messungen mit dem Messumformer vorgenommen werden können, ohne dass zur Bewegung des Messum- formers im Medium Energie aus seinem Energiespeicher entnommen werden müsste.

Ist die Dichte des Messumformers geringer als die des Mediums, befindet sich vorzugsweise die Ausgangslage am Behälter- boden und die Endlage an der Oberfläche des Mediums. Ist die Dichte des Messumformers dagegen größer als die Dichte des Mediums, so beginnt eine Messfahrt vorzugsweise an der Medienoberfläche und endet am Behälterboden.

Als Mittel zur Ausgabe des oder der ortsabhängig ermittelten Messwerte an beispielsweise eine Einrichtung zur Steuerung des im Behälter ablaufenden Prozesses kann in vorteilhafter

Weise eine Funkschnittstelle verwendet werden. Diese kann beispielsweise als Ultra-Wideband-, Bluetooth-, WLAN-, ZigBee- oder RFID-Schnittstelle ausgeführt sein. Die Ausgabe der Messwerte kann bereits während der Messfahrt erfolgen, oder die Messwerte können mit Zeit und Ort versehen im Messumformer zwischengespeichert und nach Erreichen einer bevorzugten Kommunikationsstelle übertragen werden. Eine Ausgabe der Messwerte bereits während der Messfahrt hat den Vorteil, dass die Messwerte ohne Verzögerung zur Weiterbearbeitung, beispielsweise zur Führung eines in einem Reaktor ablaufenden Prozesses, vorliegen. Damit kann sehr schnell auf Veränderungen reagiert werden. Eine übertragung gesammelter Messwerte in einer bevorzugten Kommunikationslage kann vorteilhaft bei langsam ablaufenden Prozessen Anwendung finden, da ein Zeit- Verzug hier eine untergeordnete Bedeutung hat und die Kommunikation aufgrund der mit dieser Vorgehensweise erreichbaren kurzen Entfernung zwischen Messumformer und Leseeinrichtung mit einem geringeren Energieverbrauch durchgeführt werden kann.

Bei bekannter Dauer einer Messfahrt kann der jeweils aktuelle Ort des Messumformers in besonders einfacher Weise anhand der seit Beginn der Messfahrt vergangenen Zeit und der Bahnlänge bestimmt werden. Eine weitere einfache Möglichkeit besteht darin, den beim Messumformer herrschenden Mediendruck zu messen, da dieser unmittelbar von der bekannten Mediendichte und der Tauchtiefe des Messumformers abhängt. Eine weitere Möglichkeit zur Ortung des Messumformers besteht darin, diese anhand der mit der Funkschnittstelle übertragenen oder emp- fangenen Funksignale durchzuführen. Eine derartige Ortung ist bei vielen bekannten übertragungsstandards ohnehin möglich. Selbstverständlich können auch verschiedene der oben genannten Ortungsverfahren zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit miteinander kombiniert werden. Aufgrund der Verwendung der Ortungseinrichtung kann den verschiedenen Messwerten der Ort ihrer Erfassung zugeordnet werden, so dass ein örtliches Profil der jeweiligen physikalischen oder chemischen Größe, bei-

spielsweise der Temperatur, des Drucks, einer Stoffkonzentra- tion, des pH-Werts oder einer Trübung, erhältlich ist.

Wie bereits oben erwähnt, kann die Energieversorgung eines Messumformers während einer Messfahrt aus einem integrierten Energiespeicher erfolgen. Eine Aufladung eines ladbaren Energiespeichers wird vorzugsweise an bestimmten Positionen durchgeführt, an welchen die Energieübertragung besonders verlustarm möglich ist. Dies ist beispielsweise an der Aus- gangslage oder der Endlage der Messfahrten der Fall, wenn hier eine Ladevorrichtung mit Anschlusskontakten oder mit kapazitiver oder magnetischer Kopplung zwischen Ladeeinrichtung und Messumformer vorgesehen ist. In der Ladeposition können zusätzlich die in einem Datenspeicher des Messumformers zwi- schengespeicherten Messdaten zur weiteren Verarbeitung über eine kurze Distanz und somit verlustarm zu einer Leseeinrichtung übertragen werden.

Die Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikali- sehen oder chemischen Größe ist mit Mitteln versehen, um im

Medium ein Magnetfeld zu erzeugen, und es wird ein Messumformer mit magnetischen Eigenschaften verwendet. Der Messumformer ist derart ausgebildet, dass eine von der Stärke und Richtung des äußeren Magnetfelds abhängige Kraft entsteht, die als dritte Kraftkomponente der Gewichtskraft des Messumformers und der im Medium aufgrund seiner Volumenverdrängung entstehenden Auftriebskraft überlagert ist. Diese magnetfeldabhängige Kraft variiert je nach Richtung und Stärke des Magnetfelds, in welchem sich der Messumformer befindet. Zur Er- zeugung der magnetfeldabhängigen Kraft kann magnetisierbares Material, zum Beispiel Eisen, ein Permanentmagnet und/oder ein einstellbarer Elektromagnet als Bestandteil des Messumformers verwendet werden. Zur Erzeugung des Magnetfelds im Medium können im oder am Behälter eine oder mehrere strom- durchflossene Spulen angeordnet werden. Durch Variation der durch die Spulen fließenden Ströme können Stärke und Richtung des am Ort des Messumformers erzeugten Magnetfelds je nach Bedarf eingestellt werden. Zusätzlich ist eine Variation

durch Drehen oder Verschieben der Spulen möglich. Die magnetfeldabhängige Kraft kann bei geeigneter Auslegung zur Führung des Messumformers entlang einer gewünschten Bahn für eine Messfahrt oder zum Transport des Messumformers von der End- läge einer Messfahrt zurück zur Ausgangslage für die nächste Messfahrt genutzt werden.

Die magnetfeldabhängige Kraft kann zudem zur Fixierung des Messumformers in seiner Anfangslage genutzt werden, so dass die Messfahrt zu einem beliebigen Zeitpunkt durch Loslassen des Messumformers gestartet werden kann. Zudem ist es möglich, mehrere Elektromagnete an verschiedenen Stellen des Behälters anzuordnen, um mehrere Messumformer an den jeweiligen Positionen bereithalten zu können. Sollen nämlich mehrere Messumformer von unterschiedlichen Positionen aus starten, so muss sichergestellt werden, dass sich auf jeder Startposition zum Beginn der Messfahrt genau ein Sensor befindet. Alternativ dazu kann eine mechanische Fixierung der Messumformer an den verschiedenen Ausgangslagen der Messfahrten vorgesehen werden. Eine Besetzung der verschiedenen Ausgangslagen durch jeweils genau einen Messumformer kann dann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass ein an einer freien Startposition befindlicher Magnet aktiviert wird, nach Besetzen der Position durch einen Messumformer dieser dort mechanisch fixiert wird, der betreffende Magnet abgeschaltet wird, ein Magnet einer noch verbleibenden freien Startposition eingeschaltet wird usw. bis alle Positionen besetzt sind. Danach können Messfahrten entweder für alle Messumformer gleichzeitig oder in definierten zeitlichen Abständen gestartet werden.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Messumformers,

Figur 2 einen Behälter mit einem Messumformer und

Figur 3 einen Reaktor mit Messumformern und Fördereinrichtung.

In Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Messumformers 1 dargestellt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die physikalische oder chemische Größe, zu deren ortsabhängiger Erfassung der Messumformer 1 dient, ein Druck P. Der Druck P wird durch einen Aufnehmer 2 in ein elektrisches Signal gewandelt und an eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 3 als Messsignal weitergegeben. Aus dem Messsignal bildet die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 3 einen Messwert, der zusammen mit einer Angabe des Orts, an dem sich der Messumformer 1 zum Zeitpunkt der Messung befindet, und der Uhrzeit der Messung in einem Speicher 4 zwischengespeichert wird. Mit einer Kommunikationsschnittstelle 5, die als drahtlose Funkschnittstelle ausgeführt ist, wird der Messwert an eine in Figur 1 nicht dargestellte Leseeinrichtung weitergegeben. Der Ort der Messung wird mit einer Ortungseinrichtung 6 ermittelt, beispielsweise einem GPS-Empfänger oder einer sonstigen Funkortungseinrichtung. Zur Einstellung einer auf den Messumformer 1 wirkenden magnetischen Kraft ist ein Magnet 7 vorgesehen, beispielsweise ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet, dessen Stärke durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 3 vorgegeben wird. Weiterhin verfügt der Messumformer 1 über Mittel zur Einstellung seiner spezifischen Dichte. Diese umfassen eine Pumpe 8, ein Ventil 9, einen Vorratsbehälter 10 mit komprimierten Gas und eine Ausgleichskammer 11, die durch eine flexible Membran 12 von dem umgebenden Prozessmedium getrennt ist. Durch die Ansteuer- und Auswerterichtung 3 kann mit Hilfe der Pumpe 8 und des Ventils 9 das Volumen der Ausgleichskammer 11 durch Zu- oder Abfuhr von Gas eingestellt werden. Durch Veränderung des Ausgleichsvolumens 11 ändert sich auch das Verdrängungsvolumen des Messumformers 1 in einem Medium und damit in Abhängigkeit der Mediendichte die erzeugte Auftriebskraft. Bei Vernachlässigung einer Medienströmung ergibt sich die Bewegungsrichtung des Messumformers 1

aus der Resultierenden von Gewichtskraft des Messumformers 1, Auftriebskraft und mit Hilfe des Elektromagneten 7 erzeugter magnetischer Kraft. Auf zusätzliche Antriebsmittel kann beim Messumformer 1 verzichtet werden, so dass zum Vortrieb des MessUmformers 1 aus einem Energiespeicher 13, der zur Bevorratung der zum Betrieb des Messumformers 1 erforderlichen Energie dient, vergleichsweise wenig Energie entnommen werden muss. Somit steht in vorteilhafter Weise ein Großteil der vorhandenen Betriebsenergie für die eigentlichen Messaufgaben des Messumformers 1 zur Verfügung.

In Figur 2 ist ein Messumformer 14, der gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 aufgebaut sein kann, in einen Behälter 15 mit einem Prozessmedium 16 eingesetzt, dessen orts- abhängige physikalische oder chemische Eigenschaften, beispielsweise Temperatur und Sauerstoffkonzentration, erfasst werden sollen. Unter dem Behälter 15 ist ein Elektromagnet 17 angeordnet, der translatorisch nach links und rechts, wie es durch zwei entsprechend seitlich angeordnete Pfeile angedeu- tet ist, in Zeichnungsebene nach hinten und vorne, rotatorisch um eine senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Achse 18 sowie eine horizontal in der Zeichnungsebene verlaufende Achse beweglich gelagert ist. Durch Einstellung eines durch den Elektromagneten 17 fließenden Stroms kann die Stärke des damit erzeugten Magnetfelds, das durch jeweils drei Pfeile oberhalb und unterhalb des Elektromagneten 17 angedeutet ist, eingestellt werden. Mit der beispielhaft gewählten Anordnung eines Elektromagneten 17 kann ein Magnetfeld beliebiger Stärke und Feldlinienrichtung im Behälter 15 erzeugt werden. Eine Steuereinrichtung 19 stellt die Ausrichtung und Stärke des

Elektromagneten 17 je nach gewünschter Bewegungsrichtung des Messumformers 14 ein. In dem in Figur 2 dargestellten Augenblick bewegt sich der Messumformer 14 auf den Elektromagneten 17 zu. Soll sich der Messumformer 14 dagegen von dem Elektro- magneten 17 wegbewegen, kann dies bei einem Messumformer 14, der mit einem Permanentmagneten ausgerüstet ist, in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Magnetfeldrichtung des Elektromagneten 17 umgepolt wird. Die übertragung der mit

dem Messumformer 14 aufgenommenen Messwerte für die jeweils zu erfassenden physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Mediums 16 erfolgt über Funk zu einer an der Seitenwand des Behälters 15 angebrachten Leseeinrichtung 39, welche die empfangenen Messwerte an eine in der Figur der übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte Einrichtung zur Regelung des im Behälter 15, beispielsweise einen Reaktor, ablaufenden Prozesses weitergibt. Anhand der Funksignale ortet die Leseeinrichtung 39 den Messumformer und gibt die Position des Mess- Umformers 14 an die Steuerung 19 weiter, damit diese bei eventuellen Abweichungen von einer gewünschten Bahn der Messfahrt nachkorrigieren kann.

Anhand Figur 3 wird im Folgenden ein weiteres Ausführungsbei- spiel einer Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums 20 in einem Behälter 21 erläutert. Messumformer 22...25 sind entsprechend dem oben erläuterten Messumformer 1 gemäß Figur 1 aufgebaut und dienen beispielsweise zur Erfassung der Temperatur und des Drucks des Mediums 20. Die spezifische Dichte der

Messumformer 22...25 ist kleiner eingestellt als die spezifische Dichte des Mediums 20, so dass die Messumformer 22...25 Messfahrten von einer Bodenfläche 26 des Behälters zu einer Oberfläche 27 des Mediums 20 durchführen. Die Bewegungsrich- tung ist jeweils durch Pfeile an den Messumformern 22...25 angedeutet. Eine Fördereinrichtung zum Transport der Messumformer 22...25 von der Endlage an der Oberfläche 27 zurück zur Ausgangslage an der Bodenfläche 26 weist ein Förderrohr

28 auf, das seitlich am Behälter 21 herunterführt und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an vier öffnungen in den Behälterboden mündet. Durch eine in dem Förderrohr 28 mit geeigneten Mitteln erzeugte Strömung werden die Messumformer 22...25 nach erfolgter Messfahrt von der Endlage in die Ausgangslage zurückgeführt. Die bei einer Messfahrt gewonnenen Daten der Messumformer 22...25 werden mit Hilfe einer Leseeinrichtung

29 über Funk empfangen, sobald sich die Messumformer 22...25 an der Oberfläche 27 des Mediums 20 befinden. Die Leseeinrichtung 29 dient auch zur Lagebestimmung der Messumformer

22...25. Messwerte und Lageinformation werden an eine Steuerung 30 weitergegeben, durch welche eine Ladeeinrichtung 31 zur Aufladung der Energiespeicher der Messumformer 22...25 bei Erreichen einer Ladeposition 32, ein Elektromagnet 33 zur Erzeugung eines im Wesentlichen in vertikale Richtung wirkenden Magnetfelds und ein Elektromagnet 34 zur Erzeugung eines Magnetfelds mit im Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufenden Feldlinien ansteuerbar ist. Durch geeignete Ansteuerung der Magnete 33 und 34 kann der Bahnverlauf von Mess- fahrten der Messumformer 22...25 zusätzlich beeinflusst werden. Weiterhin ist es durch geeignete Ansteuerung der Magnete möglich, die Messumformer 22...25 rasch von jeder beliebigen Stelle an der Oberfläche 27 des Mediums 20 zur oberen öffnung des Förderrohrs 28 zu bewegen, damit sie ohne größeren zeit- liehen Verzug zurück zur Ausgangslage einer erneuten Messfahrt transportiert werden können.