DE10037911A1

DE10037911A1 - Vorrichtung zum Messen/Bestimmen einer physikalischen Grösse eines Mediums

Info

Publication number: DE10037911A1
Application number: DE10037911A
Authority: DE
Inventors: Michael Krause; Florian Stengele
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2002-02-14
Also published as: CA2417886A1; CA2417886C; AU2001287651A1; US20040101717A1; EP1305577A1; US8029731B2; EA200300209A1; JP3851268B2; CN1232802C; EA005899B1; WO2002012834A1; CN1443299A; JP2004506212A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen/Bestimmen einer physikalischen Größe eines Mediums. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zum Messen und/oder Bestimmen einer physikalischen Meßgröße vorzuschlagen. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Vorrichtung einen Sensorteil und einen Elektronikteil aufweist, wobei zumindest der Elektronikteil in einem Gehäuse angeordnet ist und wobei zumindest eine Brennstoffzelle vorgesehen ist, über die der Energiebedarf der Vorrichtung zumindest teilweise gedeckt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen/Bestimmen einer physikalischen Größe eines Mediums, wobei die Vorrichtung einen Sensorteil und einen Elektronikteil aufweist.

Zur Bestimmung einer physikalischen Meßgröße werden die unterschied lichsten Typen von Sensoren eingesetzt, denen zum Teil sehr unterschied liche physikalische Meßprinzipien zugrunde liegen. So wird beispielsweise der Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von Ultraschall wellen oder von elektromagnetischen Wellen, insbesondere von Mikrowellen ermittelt, die an der Oberfläche des Füllguts reflektiert werden. Beim Einsatz von Mikrowellen werden diese entweder frei in den Behälter in Richtung der Oberfläche des Füllguts abgestrahlt, oder die Mikrowellen werden entlang eines leitfähigen Elements in den Behälter hineingeführt.

Darüber hinaus werden kapazitive und radiometrische Meßverfahren zur Füllstandsmessung herangezogen.

Zur Grenzstandsdetektion wird bevorzugt die Resonanzfrequenz eines Schwingstabes oder eines schwingfähigen Gebildes, das aus mehreren Schwingstäben besteht, ausgewertet. Bei dieser Meßmethode wird der Effekt ausgenutzt, daß die Resonanzfrequenz eine andere ist, je nachdem ob die Schwingstäbe ihre Schwingungen frei oder in Kontakt mit dem Füllgut ausführen.

Wie unterschiedlich die einzelnen Meßvorrichtungen zur Bestimmung des Füllstandes oder einer anderen physikalischen Größe auch immer aufgebaut sein mögen, eines ist ihnen gemeinsam: sie benötigen Energie. Diese Energie wird ihnen im Normalfall über elektrische Leitungen zugeführt. Der Nachteil aller bekannten Meßvorrichtungen ist nun darin zu sehen, daß die zwecks Energieversorgung erforderliche Verkabelung einen relativ hohen Installationsaufwand erfordert. Die Kabel selbst sind darüber hinaus natürlich relativ teuer.

Zwar ist es auch bekannt, Solarzellen zur Energieversorgung in der Nähe der Meßvorrichtungen zu positionieren, jedoch ist der Einsatz von Solarzellen aus den allseits bekannten Gründen auf wenige Ausnahmefälle beschränkt; Solarzellen können nur arbeiten, wenn sie zumindest zeitweise einer direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zum Messen und/oder Bestimmen einer physikalischen Meßgröße vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest der Elektronikteil in einem Gehäuse angeordnet ist und daß zumindest eine Brennstoffzelle vorgesehen ist, über die der Energiebedarf der Vorrichtung zumindest teilweise gedeckt wird.

Brennstoffzellen als solche sind Stand der Technik. Beispielsweise werden als Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff verwendet. Diese sind durch eine sehr dünne protonenleitende Membran, die auf beiden Seiten eine dünne Platinbeschichtung trägt, voneinander getrennt. Diese Membran unterstützt gleichzeitig die Erzeugung der elektrischen Energie, da sie den Wasserstoff in Protonen und Elektronen zerlegt. Die Protonen wandern durch die Membran zum Sauerstoff und verbinden sich mit dem Sauerstoff zu Wasser. Für die Elektronen ist die Membran undurchlässig. Durch den Elektronenüberschuß auf der Wasserstoffseite und den Elektronenmangel auf der Sauerstoffseite bilden sich Plus- und Minuspol. Werden beide miteinander verbunden, so fließt ein elektrischer Strom, der zum Betrieb der Vorrichtung genutzt werden kann.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß die Meßvor richtung nicht mehr verdrahtet bzw. verkabelt werden muß. Dies wirkt sich insbesondere dann positiv aus, wenn die erfindungsgemäße Meßvorrichtung im Ex-Bereich eingesetzt wird, wo die Verkabelung/Verdrahtung darüber hinaus auch noch den jeweils vorgegebenen Normen entsprechen muß. Es versteht sich daher von selbst, daß durch die Einsparung der Verkabelung eine erhebliche Reduzierung der Kosten pro Meßstelle erreicht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der physikalischen Meßgröße beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, den Druck, den Durchfluß, die Temperatur oder die chemische Zusammensetzung eines Prozeßmediums.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zumindest eine Brennstoffzelle in dem Gehäuse angeordnet, in dem neben dem Elektronikteil auch der Sensorteil integriert ist. Allerdings ist es auch möglich, den Sensorteil von dem Elektronikteil der Meßvorrichtung zu trennen und die beiden Teile in unterschiedlichen Gehäusen vorzusehen. Entsprechend kann dann die zumindest eine Brennstoffzelle z. B. auch in dem Gehäuse angeordnet sein, in dem der Elektronikteil untergebracht ist. Letztendlich richtet sich der Einbau der Brennstoffzelle(n) also danach, ob es sich bei der Meßvorrichtung um einen Kompaktsensor handelt, bei dem Sensorteil und Elektronikteil in einer Einheit integriert sind, oder ob der Sensorteil von dem Elektronikteil räumlich getrennt ist. In dem zuletzt genannten Fall ist es natürlich sinnvoll, die zumindest eine Brennstoffzelle in der unmittelbaren Umgebung des Elektronikteils vorzusehen, da hier üblicher weise die Energie verbraucht wird. Weiterhin ist die Einheit, die den Elektronikteil enthält, von außen einfacher zugänglich als der im Prozeß medium oder in der Nähe des Prozeßmediums angeordnete Sensorteil, was das Aufladen der Brennstoffzelle(n) natürlich erheblich vereinfacht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Datenleitung vor, über die die Meßdaten, die die physikalische Größe wider spiegeln, an eine entfernte Kontrollstelle übertragen werden. Insbesondere ist ein Mikroprozessor vorgesehen, der in dem Gehäuse angeordnet ist und der die Meßdaten der physikalischen Größe auswertet und die Information über die Datenleitung an die entfernte Kontrollstelle überträgt und/oder der über die Datenleitung mit der entfernten Kontrollstelle kommuniziert.

Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß eine Sende-/Empfangseinheit in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Sende-/Empfangseinheit die Meßdaten der physikalischen Größe drahtlos an die entfernte Kontrollstelle überträgt und/oder wobei die Sende-/Empfangs einheit drahtlos mit der entfernten Kontrollstelle kommuniziert. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich folglich um ein vollständig autarkes System. Hierdurch läßt sich die Meßvorrichtung einerseits natürlich sehr einfach installieren; andererseits kann die Verkabelung vollständig eingespart werden.

Bevorzugt ist die Meßvorrichtung so ausgestaltet, daß der Kunde sie nicht mehr öffnen kann. Durch diese Maßnahme lassen sich aufwendige Gehäusekonstruktionen umgehen, die üblicherweise dazu dienen, die von außen zugängliche Meßvorrichtung gegen äußere Einflüsse abzuschotten. Diese Ausgestaltung der Meßvorrichtung wird insbesondere dadurch erst möglich, daß keine Kabel und folglich keine Kabeldurchführungen mehr an der Meßvorrichtung vorhanden sind. Aufgrund der vereinfachten Konstruktion der Meßvorrichtung lassen sich die Herstellungskosten beachtlich reduzieren.

Bei Messungen in explosionsgefährdeten Bereichen sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darüber hinaus vor, daß es sich bei dem Gehäuse um ein abgekapseltes Gehäuse handelt.

Um den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kontinuierlich sicher stellen zu können, schlägt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß der Mikroprozessor eine Warnung/Fehlermeldung ausgibt, sobald die zumindest eine Brennstoffzelle einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, wobei dieser Schwellenwert so festgelegt ist, daß der Energievorrat der Brennstoffzelle nur noch für einen definiert begrenzten Zeitraum ausreichend ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Aufladeeinheit vorgesehen, über die die zumindest eine Brennstoff zelle aufladbar ist. Insbesondere handelt es sich bei der Aufladeeinheit um eine Spritze. Hierdurch wird es möglich, die Brennstoffzelle innerhalb sehr kurzer Zeit zu laden. Standzeiten der Meßvorrichtung können damit vollkommen ausgeschlossen werden.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei der Meßvorrichtung handelt es sich um einen sogenannten Kompaktsensor, bei dem der Sensorteil 2 und der Elektronikteil 3 in einem Gehäuse 7 untergebracht sind. Der Daten- und Informationsaustausch mit einer entfernt angeordneten Kontrollstelle 8 erfolgt über die Datenleitungen 5, 6. Die Energieversorgung der Vorrichtung 1 wird über die Brennstoffzelle 4 sichergestellt, die gleichfalls in dem Gehäuse 7 vorgesehen ist.

Der Mikroprozessor 10 überwacht u. a. dem momentanen Ladezustand der Brennstoffzelle 4. Sobald die Energieversorgung nur noch für einen definiert begrenzten Zeitraum sichergestellt ist, werden/wird eine Fehlermeldung und/oder ein Warnsignal ausgegeben, das dem Bedienpersonal anzeigt, daß die Brennstoffzelle 4 aufgeladen werden muß. Im einfachsten Fall erfolgt die Aufladung der Brennstoffzelle 4 mittels einer Spritze 9.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung sind der Sensorteil 2 und der Elektronikteil 3 in zwei räumlich voneinander getrennten Gehäusen untergebracht. Beispielsweise ist der Sensorteil 2 so positioniert, daß er in Kontakt mit dem Prozeßmedium kommt, während der Elektronikteil 3 außerhalb des Behälters angeordnet ist, in dem sich das zu messende oder überwachende Prozeßmedium befindet.

Der Daten- und Informationsaustausch der Meßvorrichtung 1 mit der entfern ten Kontrollstelle 8 erfolgt bei dieser Ausführungsform über Funk. Hierzu ist sowohl der Meßvorrichtung 1 als auch der entfernten Kontrollstelle 8 jeweils eine Sende-/Empfangseinheit 11, 12 zugeordnet.

Im gezeigten Fall handelt es sich übrigens bei der Meßvorrichtung 1 um einen Vibrationsdetektor zur Grenzstandsdetektion des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, detektieren derartige Sensoren den Füllstand anhand einer Änderung der Resonanz frequenz eines schwingfähigen Gebildes. Im dargestellten Fall handelt es sich bei dem schwingfähigen Gebilde um zwei Schwingstäbe 13, 14, die in Form einer Stimmgabel angeordnet sind. Derartige Vibrationsdetektoren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung "Liquiphant" vertrieben.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um ein autarkes System, da keinerlei die Meßvorrichtung 1 mit weiteren Einheiten verbindende Verdrahtungen/Verkabelungen vorgesehen sind.

Wiederum handelt es sich bei der Meßvorrichtung 1 um einen Kompakt sensor: Sensorteil 2 und Elektronikteil 3 sind in einem Gehäuse 7 angeordnet. Die Meßvorrichtung 1 wird über die Brennstoffzelle 4, die gleichfalls in dem Gehäuse 7 angeordnet ist, mit Energie versorgt. Der Daten- und Infor mationsaustausch mit der Kontrollstelle 8 erfolgt drahtlos über Funk. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, läßt sich die Meßvorrichtung 1 einerseits natürlich sehr einfach installieren; andererseits kann auf die teuere Verdrahtung/Verkabelung völlig verzichtet werden. Da keine Kabeldurch führungen benötigt werden und da die Aufladung der Brennstoffzelle in einfacher Weise von außen erfolgen kann - beispielsweise mittels einer Spritze - kann das Gehäuse 7 sehr einfach konstruiert sein; beide Vereinfachungen finden ihren Niederschlag in reduzierten Herstellungskosten.

Bezugszeichenliste

1

erfindungsgemäße Vorrichtung

2

Sensorteil

3

Elektronikteil

4

Brennstoffzelle

5

Datenleitung

6

Datenleitung

7

Gehäuse

8

Kontrollstelle

9

Aufladeeinheit

10

Mikroprozessor

11

Sende-/Empfangseinheit

12

Sende-/Empfangseinheit

13

Schwingstab

14

Schwingstab

Claims

1. Vorrichtung zum Messen/Bestimmen einer physikalischen Größe eines Mediums mit einem Sensorteil (2) und einem Elektronikteil (3), wobei zumindest der Elektronikteil (3) in einem Gehäuse (7) angeordnet ist und wobei zumindest eine Brennstoffzelle (4) vorgesehen ist, über die der Energiebedarf der Vorrichtung (1) zumindest teilweise gedeckt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der physikalischen Meßgröße beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, den Druck, den Durchfluß, die Temperatur oder die chemische Zusammensetzung des Mediums handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Brennstoffzelle (4) in dem Gehäuse (7) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei zumindest eine Datenleitung (5, 6) vorgesehen ist, über dis die Meßdaten der physikalischen Größe an eine entfernte Kontrollstelle (8) übertragen werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, oder 3, wobei ein Mikroprozessor (10) vorgesehen ist, der in dem Gehäuse (7) angeordnet ist und der die Meßdaten der physikalischen Größe auswertet und die Information über die Datenleitung (5, 6) an die entfernte Kontrollstelle (8) überträgt und/oder der über die Datenleitung (5, 6) mit der entfernten Kontrollstelle (8) kommuniziert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (11) vorgesehen ist, die in dem Gehäuse (7) angeordnet ist, und wobei die Sende-/Empfangseinheit (11) die Meßdaten der physikalischen Größe drahtlos an die entfernte Kontrollstelle (8) überträgt und/oder wobei die Sende-/Empfangseinheit (11) drahtlos mit der entfernten Kontrollstelle (8) kommuniziert.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Gehäuse (7) um ein abgekapseltes Gehäuse handelt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei der Mikroprozessor (10) eine Warnung/Fehlermeldung ausgibt, sobald die zumindest eine Brennstoffzelle (4) den Energiebedarf der Vorrichtung (1) nicht mehr ausreichend deckt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Aufladeeinheit (9) vorgesehen ist, über die die zumindest eine Brennstoffzelle (4) aufladbar ist.