DE102006022983A1

DE102006022983A1 - Sondeneinrichtung zur Messung von Prozessgrößen, insbesondere physikalisch-chemischer Messgrößen, in Fluiden

Info

Publication number: DE102006022983A1
Application number: DE200610022983
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schiffer
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-11-22

Abstract

Eine Sondeneinrichtung zur Messung von Prozessgrößen, insbesondere physikalisch-chemische Messgrößen, in Fluiden umfasst - einen an den Prozessbehälter anschließbaren Sondenkörper (1), - eine in einem Führungskanal (2) des Sondenkörpers (1) axial zwischen einer eingeschobenen Kalibrierstellung und einer ausgeschobenen Messstellung verschiebbare Sondenhalterung (3), - einen in der Sondenhalterung (3) gehaltenen Messsensor (7), - eine zwischen Sondenhalterung (3) und Führungskanal (2) gebildete Kammer (13), - mindestens je eine in die Kammer (13) mündende Zufluss- und Ausströmöffnung (18, 21) für Kalibrier- und Spülflüssigkeit sowie - die Kammer (13) beiderseits der Zufluss- und Ausströmöffnung (18, 21) begrenzende, im Sondenkörper (1) angeordnete Dichtungselemente (11, 12) zwischen Sondenhalterung (3) und Führungskanal (2), wobei die Zufluss- und Ausströmöffnungen (18, 21) mit einem axialen Versatz (V) zueinander angeordnet und mindestens zwei Zuflussöffnungen als den Messsensor (7) mit einer tangentialen Komponente (T) anströmende Öffnungen (18) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sondeneinrichtung zur Messung von Prozessgrößen und insbesondere von physikalisch-chemischen Messgrößen in Fluiden mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
Derartige Sondeneinrichtungen sind beispielsweise aus der DE 197 23 681 A1 bzw. EP 0 391 838 B1 bekannt. Sie weisen einen an den Prozessbehälter anschließbaren Sondenkörper, eine in einem Führungskanal des Sondenkörpers axial zwischen einer eingeschobenen Kalibrierstellung und einer ausgeschobenen Messstellung verschiebbare Sondenhalterung, einen in der Sondenhalterung gehaltenen Messsensor, eine zwischen Sondenhalterung und Führungskanal gebildete Kalibrierkammer, mindestens je eine in die Kalibrierkammer mündende Zufluss- und Abflussöffnung für Kalibrier- und Spülflüssigkeit, sowie die Kalibrierkammer beiderseits der Zufluss- und Abflussöffnung begrenzende, im Sondenkörper angeordnete Dichtungselemente zwischen Sondenhalterung und Führungskanal auf.
Bei den eingangs erwähnten Messungen von insbesondere physikalischchemischen Messgrößen handelt es sich beispielsweise um pH-, Redox-, Leitfähigkeit- oder Sauerstoffgehaltsmessungen in einem Medium. Bei der Messung in mit Prozessflüssigkeit gefüllten Behältern, wie Rohren, Reaktoren oder Fermentern, kann es je nach Art der Prozessflüssigkeit zu festen Ablagerungen oder störenden Schmutzanhaftungen auf dem Sensor kommen. Solche Ablagerungen führen oftmals zu großen Messabweichungen, wie bei der pH-Wert-Messung mit Glaselektroden oder mit ISFET-Sensoren sowie bei der Messung der gelöst-Sauerstoff-Konzentration mit membranbedeckten Sensoren nach dem Clark-Prinzip. Bei den genannten Messanwendungen sind die Messabweichungen im Falle von Ablagerungen so groß, dass der Sensor aufwändig ausgebaut, gereinigt und ggf. neu kalibriert werden muss.
Um diesen Wartungsaufwand gering zu halten, werden automatisierte Reinigungs- und Kalibriersysteme eingesetzt, deren Hauptkomponente die gattungsgemäßen Sondeneinrichtungen darstellen. Letztere bilden Sensorschleusen und werden durch weitere Komponenten zur Ansteuerung und zur Bereitstellung von Spül- und Kalibriermedien ergänzt. Die oben erwähnte Kalibrierkammer findet dabei auch Verwendung für die Reinigung des Sensors, der aufgrund einer peripheren Ansteuerung der Sondeneinrichtung aus dem Prozess heraus in die Kalibrierkammer gefahren wird. Dort wird der Sensor gespült, indem eine oder mehrere Spül- und Reinigungsmedien in die Kalibrierkammer geleitet werden. Bei Prozessfluiden, die zu raschen und hartnäckigen Ablagerungen tendieren, reicht die Reinigungswirkung bekannter Zu- und Ableitungssysteme oft nicht aus, sodass nach wenigen Reinigungs- und Kalibrierzyklen doch wieder ein Sensorausbau und eine manuelle Reinigung oder gar ein Wechsel des Messsensors erfolgen müssen.
In diesem Zusammenhang zeigen die Sondeneinrichtungen gemäß der eingangs genannten DE 197 23 681 A1 und EP 0 391 838 B1 Schwächen, da Zufluss- und Abflussöffnung radial von gegenüberliegenden Seiten auf gleicher Höhe in die Kalibrierkammer münden. Vor den Mündungsöffnungen kommt der durchbrochene Bereich eines Sondenhalterungs-Schutzzylinders zu liegen, wo fensterartige Spülöffnungen durch axialparallele Stege gebildet werden. Letztere stehen im Strömungsfeld der Spül- und Kalibrierlösungen, wodurch in Strömungsrichtung hinter diesen Stegen Abschattungen und Verwirbelungen gebildet werden und die Reinigungs wirkung der Spüllösung auf die Messspitze unter Umständen nicht gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt ausgehend von der geschilderten Problematik die Aufgabe zugrunde, eine Sondeneinrichtung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, dass eine äußerst wirkungsvolle Reinigung der in die Kalibrierkammer zurückgefahrenen Messsonde erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst, wonach die Zufluss- und Abflussöffnungen mit einem axialen Versatz zueinander angeordnet sind und die Zuflussöffnungen als den Messsensor mit einer tangentialen Komponente anströmende Öffnungen ausgebildet sind.
Die Erfindung vermeidet eine wesentliche Ursache der schlechten Reinigungswirkung konventioneller Systeme, nämlich dass die Anströmung des Messsensors durch eine einzige Zulauföffnung an einer Seite des Sensors erfolgt. Eine der typischerweise rotationssymmetrischen Sensorform entsprechende Reinigung muss unbedingt von mehr als einer Seite her erfolgen, da bei einer einzigen Zulauföffnung nur die der Öffnung zugewandte Seite des Sensors gereinigt wird. Im Spülschatten verbleiben störende Verschmutzungen und Ablagerungen. Durch die mindestens zwei Zuflussöffnungen wird eine solche Schattenbildung vermieden. Eine weitere Verbesserung der Reinigungswirkung wird dadurch erreicht, dass die Zulauföffnungen so angeordnet sind, dass eine den Messsensor mit einer tangentialen Komponente anströmende Flussrichtung der Reinigungsflüssigkeit erzielt wird.
Insbesondere bei pH-Elektroden erzielt die peripher gleichmäßigere Umströmung des Messsensors besondere Vorteile. Dieser Elektrodentyp weist nämlich in der Regel an der Messspitze an einer Seite das sogenannte Diaphragma auf, das die Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Prozessfluid und dem Elektrolyt der Referenzelektrode herstellt. Dieses Diaphragma ist in der Regel als ein in Glas eingeschmolzener, kleiner, poröser Keramikzylinder ausgeführt. Bei den herkömmlichen Sondensystemen mit einer einzigen Zulauföffnung für die Spülflüssigkeit zur Kalibrierkammer hängt die Länge der wartungsfreien Intervalle von der Drehausrichtung des Sensors und der entsprechenden Drehlage des Diaphragmas ab. Ist letzteres zufällig in Richtung zur Zulauföffnung ausgerichtet, wird das Diaphragma optimal gereinigt und dadurch ein vernünftiges Reinigungsergebnis erzielt. Liegt das Diaphragma im Spülschatten, lässt die Reinigungswirkung zu wünschen übrig. Durch die peripher vergleichmäßigte Umströmung des Messsensors wird bei beliebiger Sensorausrichtung das Diaphragma optimal gereinigt.
Schließlich kann aufgrund der verbesserten Reinigungswirkung dank der Erfindung auf den Einsatz hochwirksamer und damit kostenintensiver Reinigungsmittel verzichtet werden, es können umweltfreundlichere Substanzen wie beispielsweise Wasser eingesetzt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar. So können die Zuflussöffnungen in strömungstechnisch einfacher Weise über einen Ringkanal im Sondenkörper mit Flüssigkeit versorgt werden.
Die Reinigungswirkung lässt sich ferner weiter verbessern, wenn neben einem tangentialen Versatz der Zulauföffnungen diese eine leicht axiale Komponente in Richtung Sensorspitze, also weg von der Abflussöffnung aufweisen. Durch den damit erzielten schrägen Aufprall werden Verschmutzungen in einem größeren Bereich entfernt als bei einem radialen, horizontalen Aufprall, wo die Reinigungswirkung eher begrenzt ist. Außerdem können die Zulauföffnungen dann durch ihre Ausrichtung durch Überlagerung des axialen und tangentialen Versatzes eine zyklonförmige Strömung innerhalb der Kalibrierkammer in Gang setzen, welche von der Höhe der Zulauföffnungen über die Sensorspitze und von dort zwangsgeführt zurück bis zur axial nach oben versetzten Auslauföffnung führt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Zulauföffnungen als Düsen ausgebildet. Damit wird eine weitere Verbesserung der Reinigungswirkung erzielt, da letztere von der vom Spülmedium transportierten kinetischen Energie und damit von dessen Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist. Letztere wird durch die aufgrund der Düsen vorliegenden Querschnittsverengung in der Zulauföffnung erheblich erhöht, was zu einem regelrechten Aufprall des Spülmediums auf die abzutragenden Ablagerungen führt.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird auf Seiten der Ausströmöffnung für die Spülflüssigkeit ebenfalls ein im Sondenkörper angelegter Ringkanal vorgesehen, von dem eine Abflussleitung durch den Sondenkörper abgeht. Letztere kann schräg in Axialrichtung vom Ringkanal weg in Radialrichtung nach außen führen, was einer Ableitung der Spülflüssigkeit mit möglichst geringem Strömungswiderstand zugute kommt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefüg- ten Zeichnungen entnehmbar. Es zeigen:
1 einen Axialschnitt der Sondeneinrichtung in Kalibrierstellung der Messonde, und
2 einen schematischen Schnitt der Sondeneinrichtung gemäß Schnittlinie II-II nach 1
Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, weist die Sondeneinrichtung einen mehrteiligen Sondenkörper 1 auf, der über einen Flansch 26 an einen Prozessbehälter oder eine -leitung anschließbar ist. Der Sondenkörper 1 weist einen zylindrischen Führungskanal 2 auf, in dem eine mit einem entsprechenden Außendurchmesser versehene, rohrartige Sondenhalterung 3 axial verschiebbar ist. Diese bildet an ihrem in das Prozessfluid 4 eintauchbaren Frontende 5 einen Schutzzylinder 6 für einen Messsensor 7, die in der Sondenhalterung 3 gehalten ist. Die Messspitze 8 des Messsensors 7 ist dabei innerhalb eines mit Abstand a vor dem Frontende 5 durchbrochenen Bereiches des Schutzzylinders 6 vor den damit gebildeten Spülöffnungen 9 angeordnet. Über diese Spülöffnungen 9 wird die Messspitze 8 des Messsensors 7 mit der jeweils anfallenden Flüssigkeit beaufschlagt, also während der eigentlichen Messung mit dem Prozessfluid und während der Reinigung sowie Kalibrierung mit den notwendigen Reinigungs-, Spül- und Kalibrierlösungen. Der Ringspalt zwischen Messsensor 7 und Sondenhalterung 3 ist dabei durch einen hinter der Messspitze 8 gelegenen O-Ring 10 abgedichtet.
Im Sondenkörper 1 ist zwischen einem prozessseitigen Dichtring 11 und einem rückwärtigen, inneren Dichtring 12 eine Kalibrierkammer 13 angelegt, die zwischen Sondenhalterung 3 und Führungskanal 2 ausgebildet ist.
Zur Zuführung von Reinigungs-, Spül- und Kalibrierlösungen zu dieser Kalibrierkammer 13 ist ein axial von oben in den Sondenkörper 1 führendes, axial paralleles Zulaufrohr 14 vorgesehen, das in ein als Ganzes mit 15 bezeichnetes Rückschlagventil im Sondenkörper 1 mündet. Von dort führt eine Leitungsbohrung 16 weiter nach unten, die in einem zwischen Son denkörper 1 und Flansch 26 gebildeten, umlaufenden Ringkanal 17 mündet.
Wie aus den 1 und 2 in Zusammenschau deutlich wird, führen von diesem Ringkanal 17 aus nach innen zur Kalibrierkammer 13 drei Düsen 18 in Form von sehr dünnen Bohrungen. Die drei Düsen sind in gleichmäßigen Winkelabständen von 120° über den Umfang des Ringkanals 17 bzw. der Kalibrierkammer 13 verteilt. Wie aus 1 deutlich wird, weisen die Düsen 18 leicht schräg in einem spitzen Winkel A nach unten. Ferner sind – wie aus 2 hervorgeht – diese Düsen in einem Tangentialwinkel T zur Radialrichtung versetzt, sodass insgesamt die durch Strömungspfeile 19 hervorgerufene Strömung zum einen eine axiale Komponente und zum anderen eine peripher umlaufende, tangentiale Komponente aufweist. Insgesamt ergibt sich die in 1 durch Schraubenlinien 20 bildlich dargestellte zyklonartige Strömung 20 zum rückwärtigen Ende der Kalibrierkammer 13 hin. Dort sind in der Sondenhalterung 3 peripher über den Umfang verteilte Ausströmöffnungen 21 angebracht, die in einen umlaufenden Ringkanal 22 im Sondenkörper 1 münden. Von diesem Ringkanal 22 aus führt eine Abflussleitung 23 radial und flach schräg in Axialrichtung weg nach außen. Durch diese Abflussleitung 23 können die Reinigungs-, Spül- und Kalibrierlösungen abströmen (Strömungspfeile 24). Insgesamt weisen die Mündungsöffnungen der Düsen 18 und die Ausströmöffnungen 21 einen axialen Versatz V auf.
Zur Komplettierung der Abdichtung der Kalibrierkammer 13 ist auf der dem Dichtring 12 in Richtung zur Messspitze 8 gegenüberliegenden Seite des Ringkanals 22 ein Zwischendichtring 25 zwischen Sondenhalterung 3 und Sondenkörper 1 eingesetzt. Dessen Funktion und Zusammenspiel mit den beiden anderen Dichtringen 11, 12 beim Ein- und Ausfahren der Sondenhalterung 3 mit Messsensor 7 aus der und in den Sondenkörper 1 ist der älteren deutschen Anmeldung mit der Nummer 10 2005 036 865.4 der Anmelderin entnehmbar. Der Zwischendichtring 25 hat im Zusammenhang mit der effektiven Sensorreinigung eine wichtige Zusatzfunktion. Er verhindert, dass ein großer Teil der Spülflüssigkeit ungenutzt im Ringspalt 27 zwischen Sondenhalterung 3 und Führungskanal 2 strömen kann. Die gesamte Spülflüssigkeit muss, wie mit Strömungspfeile 20 gezeichnet, zwischen Messsensor 7 und Sondenhalterung 3 strömen.

Claims

Sondeneinrichtung zur Messung von Prozessgrößen, insbesondere physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, in Fluiden umfassend – einen an den Prozessbehälter anschließbaren Sondenkörper (1), – eine in einem Führungskanal (2) des Sondenkörpers (1) axial zwischen einer eingeschobenen Kalibrierstellung und einer ausgeschobenen Messstellung verschiebbare Sondenhalterung (3), – einen in der Sondenhalterung (3) gehaltenen Messsensor (7), – eine zwischen Sondenhalterung (3) und Führungskanal (2) gebildete Kammer (13), – eine in die Kammer (13) mündende Zufluss- und Ausströmöffnung (18, 21) für Kalibrier- und/oder Spülflüssigkeit, sowie – die Kammer (13) beiderseits der Zufluss- und Ausströmöffnung (18, 21) begrenzende, im Sondenkörper (1) angeordnete Dichtungselemente (11, 12) zwischen Sondenhalterung (3) und Führungskanal (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Zufluss- und Ausströmöffnungen (18, 21) mit einem axialen Versatz (V) zueinander angeordnet sind und dass mindestens zwei Zuflussöffnungen als den Messsensor (7) mit einer tangentialen Komponente (T) anströmende Öffnungen (18) ausgebildet sind.
Sondeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflussöffnungen (18) über einen Ringkanal (17) im Sondenkörper (1) mit Flüssigkeit versorgt werden.
Sondeneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflussöffnungen (18) derart ausgerichtet sind, dass der Messsensor (7) mit einer von der Ausströmöffnung (21) weggerichteten axia len Komponente (A) angeströmt ist.
Sondeneinrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflussöffnungen (18) derart ausgerichtet sind, dass der Messsensor (7) von seiner Messspitze (8) aus zu der Ausströmöffnung (21) hin mit einer zyklonförmigen Strömung (20) umströmt ist.
Sondeneinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Zuflussöffnungen (18) peripher um den Messsensor (7) verteilt sind.
Sondeneinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflussöffnungen (18) als Düsen ausgebildet sind.
Sondeneinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnungen (21) in einen im Sondenkörper angelegten Ringkanal (22) mündet, von dem eine Abflussleitung (23) durch den Sondenkörper (1) abgeht.
Sondeneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflussleitung (23) flach schräg in Axialrichtung vom Ringkanal (22) weg in Radialrichtung nach außen führt.
Sondeneinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennezeichnet, dass im Führungskanal (2) zwischen den Zufluss- und Ausströmöffnungen (18, 21) ein Zwischendichtring (25) angeordnet ist, der den Ringspalt (27) zwischen Führungskanal (2) und Sondenhalterung (3) abdichtet.