HAMMER, Gerhard (Am Südhang 2, Neupotz, 76777, DE)
RÖTHER, Klaus (Schulstr. 6, Stutensee, 76297, DE)
SPOHR, Gerd-Ulrich (Lavalplatz 1, Mettmann, 40822, DE)
GRIEB, Herbert (Maronenweg 4, Malsch, 76316, DE)
HAMMER, Gerhard (Am Südhang 2, Neupotz, 76777, DE)
RÖTHER, Klaus (Schulstr. 6, Stutensee, 76297, DE)
SPOHR, Gerd-Ulrich (Lavalplatz 1, Mettmann, 40822, DE)
Patentansprüche
1. Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums (20) in einem Be- hälter (21) , insbesondere in einem Reaktor, mit zumindest einem Messumformer (1, 22...25), der beweglich in das Medium einsetzbar ist und der versehen ist mit Mitteln (2) zur Erfassung der physikalischen oder chemischen Größe (P) und zur Bestimmung eines entsprechenden Messwerts und mit Mitteln (5) zur Ausgabe des Messwerts, und mit einer Ortungseinrichtung
(6, 29) zur Ermittlung des Ortes des Messumformers im Medium, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Dichte des Messumformers sich von der spezifischen Dichte des Mediums unterscheidet, so dass aufgrund des Auftriebs eine auf den Messum- former wirkende Antriebskraft zur Bewegung des Messumformers in einer Messfahrt von einer Ausgangslage (26) zu einer Endlage (27) vorhanden ist und dass eine Fördereinrichtung (28, 30, 33, 34) zum Transport des Messumformers von der Endlage zurück zur Ausgangslage für die nächste Messfahrt vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ausgabe des Messwerts eine Funkschnittstelle
(5) aufweisen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortungseinrichtung (6, 29) dazu ausgebildet ist, den Ort des Messumformers anhand der seit Beginn einer Messfahrt vergangenen Zeit, anhand des Mediendrucks und/oder anhand einer Ortung mit Funksignalen zu ermitteln.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausgangslage (26) und/oder der Endlage (27) und/oder der Fördereinrichtung (28, 30, 33, 34) Mittel (31) zum Aufladen eines Speichers (13) für die Betriebsenergie des Messumformers vorgesehen sind.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (30, 33, 34) vorgesehen sind, um im Medium ein Magnetfeld zu erzeugen und dass der Messumformer derart ausgebildet ist, dass bei erzeugtem Mag- netfeld eine auf den im Medium befindlichen Messumformer wirkende, magnetfeldabhängige Kraft vorhanden ist.
6. Messumformer für eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumfor- mer beweglich in das Medium einsetzbar ist und versehen ist mit Mitteln zur Erfassung der physikalischen oder chemischen Größe und zur Bestimmung eines entsprechenden Messwerts, mit Mitteln zur Ausgabe des Messwerts, mit einer Ortungseinrichtung zur Ermittelung des Ortes des Messumformers im Medium und mit Mitteln (8...12), durch welche die spezifische Dichte des Messumformers derart einstellbar ist, dass sie sich von der spezifischen Dichte des Mediums unterscheidet, so dass aufgrund des Auftriebs eine auf den Messumformer wirkende Antriebskraft zur Bewegung des Messumformers in einer Messfahrt von einer Anfangslage zu einer Endlage vorhanden ist.
7. Fördereinrichtung für eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung dazu ausgebildet ist, Messumformer (22...25) von ei- ner Endlage (27) einer Messfahrt zurück zur Ausgangslage (26) für die nächste Messfahrt zu transportieren. |
Beschreibung
Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums, Messumformer und För- dereinrichtung 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 6 sowie eine Fördereinrichtung für eine derartige Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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 Fördereinrichtung 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 6 und eine neue Fördereinrichtung in Anspruch 7 beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass Messfahrten des Messum- formers praktisch ohne Verbrauch von Betriebsenergie allein aufgrund eines Unterschieds des spezifischen Gewichts des Messumformers zum spezifischen Gewicht des Mediums durchgeführt werden können. Selbstverständlich werden die tatsächliche Bahn der Messfahrt und die Bewegungsgeschwindigkeit zu- sätzlich 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 Auftriebs-
kraft bei Abstimmung des spezifischen Gewichts auf das spezifische Gewicht des Mediums 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 Messum- formers durch eine Gasblase mit einstellbarem Volumen, so kann durch exakte Einstellung des spezifischen Gewichts des Messumformers auf das spezifische Gewicht des Mediums erreicht werden, dass der Messumformer auf einer gewünschten Position für eine gewünschte Zeitdauer verbleibt, um von die- sem 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 Messumformers 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 Behälterboden 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-, Zig- Bee- 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 bevorzugt bei langsam ablaufenden Prozessen Anwendung finden, da ein Zeitverzug 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 Mög- lichkeit zur Ortung des Messumformers besteht darin, diese anhand der mit der Funkschnittstelle übertragenen oder empfangenen Funksignale durchzuführen. Eine derartige Ortung ist bei vielen bekannten übertragungsstandards ohnehin möglich. Selbstverständlich können auch verschiedene der oben genann- ten 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 Ausgangslage 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 zwischengespeicherten Messdaten zur weiteren Verarbeitung über eine kurze Distanz und somit verlustarm zu einer Leseeinrichtung übertragen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Einrichtung zur ortsabhängigen Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe zusätzlich mit Mitteln versehen, um im Medium ein Magnetfeld zu erzeugen, und es wird ein Messumfor- mer 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 Erzeugung 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 Endlage 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 mög- lieh, 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 da- durch 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 und
Figur 2 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 Erfas- sung 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 Elektromagnet 7 vorge- sehen, 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 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.
Anhand Figur 2 wird im Folgenden das Funktionsprinzip 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 Bewegungsrichtung 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 er- zeugte 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 verlaufen-
den Feldlinien ansteuerbar ist. Durch geeignete Ansteuerung der Magnete 33 und 34 kann der Bahnverlauf von Messfahrten 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 zeitlichen Verzug zurück zur Ausgangslage einer erneuten Messfahrt transportiert werden können.