DE102009028044A1

DE102009028044A1 - Feldgerät der Prozessautomatisierung

Info

Publication number: DE102009028044A1
Application number: DE102009028044A
Authority: DE
Inventors: Matthias Altendorf
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: DE102009028044B4

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Feldgerät der Prozessautomatisierung (1) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums (3), bestehend aus mehreren Teilelementen und einer Stromversorgungseinheit (6), wobei mindestens ein Teilelement (4) der Sonnenstrahlung ausgesetzt und zumindest teilweise mit einer Beschichtung (2) versehen ist oder wobei ein Sonnendach (7) zum Schutz des Feldgeräts (1) vor direkter Sonneneinstrahlung vorgesehen und das Sonnendach (7) mit der Beschichtung (2) versehen ist, wobei die Beschichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass sie Photonen der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandelt, und wobei die Stromversorgungseinheit (6) die aus der Beschichtung (2) gewonnene elektrische Energie zur autarken Stromversorgung des Feldgeräts (1) nutzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät der Prozessautomatisierung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand eines Mediums in einem Behälter oder einer Rohrleitung, um die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, den pH-Wert, den Durchfluss, oder den Druck eines Mediums. Das Medium kann gasförmig, flüssig, oder fest sein.
Zur Bestimmung physikalischer, biologischer oder chemischer Prozessgrößen ist eine Vielzahl an Messgeräten mit unterschiedlichsten Messprinzipien bekannt. Beispielsweise kann der Füllstand eines Mediums in einem Behälter mit vibronischen Messgeräten, welche den Unterschied der Schwingungen eines Schwingsystems bei bedecktem und frei schwingendem Schwingsystem detektieren, oder mit kapazitiven Sonden, welche die Änderung der Kapazität eines aus einer Metallsonde und der Behälterwand gebildeten Kondensators bei unterschiedlichem Bedeckungsgrad mit Medium detektieren, bestimmt werden. Die Auswertung der Schwingungen oder der Kapazität erfolgt elektronisch in einer Regel-/Auswerteeinheit, welche meist zusammen mit weiterer Elektronik angeordnet ist. Die Elektronik muss mit Strom versorgt werden, was üblicherweise über Zweileiter- oder Vierleitertechnik geschieht. Bei einer hohen Anzahl an Feldgeräten ist hierzu eine große Menge an Kabel nötig.
Beim Einsatz in weitläufigen Anlagen im Freien, wie beispielsweise Pipelines, ist die externe Stromversorgung des Messgeräts über Kabel schwierig, da Kabel enormer Länge über weite Strecken verlegt werden müssen. Deshalb kommen hier Batterien zum Einsatz. Der Nachteil hierbei ist jedoch, dass diese nur eine endliche Lebensdauer besitzen und ausgetauscht werden müssen. Aus der Schrift WO 2008/006463 A1 ist darüber hinaus ein Feldgerät bekannt, welches ein in das Gehäuse integriertes Solarmodul aufweist. Mit Hilfe des Solarmoduls kann Strom direkt am Ort des Feldgeräts erzeugt werden und die autarke Stromversorgung des Feldgeräts für viele Jahre sicherstellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Feldgerät der Prozessautomatisierung zur Bestimmung einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessgröße bereitzustellen, welches autark mit Energie versorgt wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Feldgerät der Prozessautomatisierung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums, bestehend aus mehreren Teilelementen und einer Stromversorgungseinheit, wobei mindestens ein Teilelement der Sonnenstrahlung ausgesetzt und zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, oder wobei ein Sonnendach zum Schutz des Feldgeräts vor direkter Sonneneinstrahlung vorgesehen und das Sonnendach mit der Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung derart ausgestaltet ist, dass sie Photonen der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandelt und wobei die Stromversorgungseinheit die aus der Beschichtung gewonnene elektrische Energie zur autarken Stromversorgung des Feldgeräts nutzt.
Die Energieversorgung des erfindungsgemäßen Feldgeräts erfolgt über die aus Photonen elektrische Energie erzeugenden Beschichtung eines der Sonnenstrahlung ausgesetzten Teilelements des Feldgeräts. Dies ist beispielsweise ein Gehäuse, eine Antenne, ein Messwertaufnehmer oder -umformer oder das komplette Feldgerät. Bei der Entwicklung von Feldgeräten wird allgemein darauf geachtet, dass diese energiesparend betrieben werden können. Auch die Anmelderin bietet eine Vielzahl an Feldgeräten an, welche nur einen geringen Versorgungsstrom benötigen. Daher ist die Menge an Strom, welche aus der Beschichtung der Feldgeräte gewonnen wird, ausreichend um das Feldgerät autark mit Strom zu versorgen; zusätzliche Stromquellen sind nicht erforderlich.
Die Vorteile der direkten Beschichtung von Teilelementen des Feldgeräts gegenüber einer separaten Anbringung eines Solarmoduls sind, dass zum einen die Solarzellen fester Bestandteil des Feldgeräts sind und daher sehr stabil angebracht sind, und zum anderen die die Solarzellen bildende Beschichtung gleichzeitig einen Korrosionsschutz des Gehäuses darstellt. Die ohnehin notwendige Beschichtung des Gehäuses mit einem witterungsbeständigen Material wird durch die Beschichtung mit den die Solarzellen bildenden Materialien ersetzt.
Bei Feldgeräten, welche starker Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, beispielsweise weil sie an Behältern oder Rohrleitung in Gebieten mit intensiver und langer Sonnenscheindauer zum Einsatz kommen, ist häufig ein Sonnendach zum Schutz des Feldgeräts vor Überhitzung angebracht. Besonders bevorzugt und effektiv ist daher das Aufbringen der elektrische Energie erzeugenden Beschichtung auf derartigen Sonnendächern.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Beschichtung aus mehreren Materialien, welche in dünnen Schichten derart auf das mindestens eine Teilelement oder das Sonnendach aufgebracht sind, dass sie eine oder mehrere Farbstoffsolarzellen bilden.
Die mehrlagige Beschichtung ist im Wesentlichen aus Elektrode, Gegenelektrode, Katalysator, Elektrolyt und Farbstoff aufgebaut, die zusammen eine Farbstoffsolarzelle („Grätzelzelle”) bilden. Die Basis der Farbstoffsolarzelle bildet der darin enthaltene Farbstoff, welcher Photonen aus der Sonnenstrahlung in freie Ladungsträger umwandelt. Solche Farbstoffe werden z. B. von der Firma Dyesol vertrieben. Unter anderem aus der Schrift WO 2009/033214 A1 ist eine Methode zur Herstellung der neuartigen Farbstoffsolarzellen bekannt. Gegenüber herkömmlichen Siliziumsolarzellen sind Farbstoffsolarzellen kostengünstiger herstellbar, da die benötigten Materialien günstiger sind.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Feldgeräts ist ein Speicherelement vorgesehen, welches die aus der Beschichtung gewonnene Energie speichert. Bei dem Speicherelement handelt es sich bevorzugt um eine Batterie oder einen Kondensator. Durch das Speicherelement ist gewährleistet, dass das Feldgerät auch nachts oder bei unzureichender Sonneneinstrahlung ausreichend mit Energie versorgt wird.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Beschichtung sowohl zur Energiegewinnung als auch zum Schutz des Feldgeräts vor Korrosion dient. Beispielsweise weist zumindest das Gehäuse eines Feldgeräts für gewöhnlich einen Anstrich mit einer witterungsbeständigen Farbe auf. An Stelle dieser Farbe ist nun die Beschichtung mit den die Farbstoffsolarzellen bildenden Materialien aufgebracht, sodass ein zusätzlicher Korrosionsschutz nicht notwendig ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem Feldgerät um einen Vibrationssensor oder eine kapazitive Sonde zur Füllstandsmessung. Es versteht sich von selbst, dass die Energie erzeugende Beschichtung auch im Zusammenhang mit jeglichen anderen Feldgeräten der Prozessautomatisierung zur Anwendung kommen kann.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, den pH-Wert, den Druck, die Feuchte oder den Durchfluss des Mediums. Es versteht sich von selbst, dass diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Feldgerät zur Bestimmung des Füllstands in einem Behälter;
2 ein Feldgerät zur Bestimmung des Füllstands mit einem Sonnendach;
3 ein Feldgerät zur Bestimmung des Durchflusses eines Mediums in einer Rohrleitung.
In 1 ist ein Feldgerät 1 zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums 3 in einer Rohrleitung dargestellt. Das hier dargestellte Feldgerät 1 zur Füllstandsmessung beruht auf einem vibronischen Prinzip und weist ein in den Behälter ragendes schwingfähiges Element 11 und ein rohrförmiges Gehäuse 12 mit einem Gehäusekopf 13, in welchem sich beispielsweise eine Elektronikeinheit befindet, auf. Für das Feldgerät 1 ist ein oberhalb des schwingfähigen Elements 11 eingebrachtes Gewinde 14 vorgesehen, über welches das Feldgerät 1 in die Rohrleitung einschraubbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das der Sonnenstrahlung ausgesetzte Teilelement 4 des Feldgeräts 1, welches mit der Beschichtung 2 zur Erzeugung elektrischer Energie versehen ist, das Gehäuse 12 mit dem Gehäusekopf 13. Die Beschichtung 2 ist in mehreren Lagen unterschiedlicher Materialien derart auf dem Gehäuse 12 aufgebracht, dass sich eine oder mehrere Farbstoffsolarzellen bilden, welche je nach gewünschtem elektrischem Ausgangswert zusammengeschaltet werden können. Das Aufbringen der Schichten erfolgt mit dem Fachmann bekannten Methoden der Dünnfilmtechnik bzw. Solarzellenherstellung und wird hier nicht näher beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung von farbstoffhaltigen Solarzellen ist beispielsweise in der Schrift WO 2009/033214 A1 beschrieben.
Die Stromversorgungseinheit 6 und die Speichereinheit 5 zur Speicherung der mit der Beschichtung 2 gewonnenen elektrischen Energie sind beispielsweise im Gehäuse 12 oder Gehäusekopf 13 des Feldgeräts 1 angebracht. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Speichereinheit 5 außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Durch die Speichereinheit 5 ist es möglich, das Feldgerät 1 auch nachts oder bei geringer Sonneneinstrahlung mit Strom zu versorgen. Ist die Sonneneinstrahlung am Tag hoch genug, dass mehr Strom erzeugt wird als das Feldgerät 1 zur Versorgung benötigt, so versorgt die Stromversorgungseinheit 6 das Feldgerät 1 mit der benötigten Menge an Strom und der überschüssige Strom wird von der Speichereinheit 5 gespeichert. Fällt die Stromproduktion unter die Grenze, welche zur Versorgung des Feldgeräts 1 notwendig ist, so greift die Stromversorgungseinheit 6 auf die Speichereinheit 5 zurück.
2 offenbart ein Feldgerät 1 zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums 3 in einer Rohrleitung mit Sonnendach 7.
Das Sonnendach dient zum Schutz des Feldgeräts 1 vor zu starker Sonneneinstrahlung. Eine stark erhöhte Temperatur im Inneren des Gehäuses 12 wirkt sich auf die Funktionsfähigkeit der elektronischen Bauteile negativ aus und führt in manchen Fällen zur Verfälschung des Ergebnisses bei der Bestimmung der Prozessgröße. Derartige Sonnendächer kommen dann zum Einsatz, wenn eine hohe Sonneneinstrahlung am Einsatzort des Feldgeräts 1 erwartet wird. Dies ist beispielsweise bei der Anwendung in Pipelines zur Ölbeförderung der Fall, welche oftmals auf brachen Flächen ohne Schatten verlaufen. Da bei der Verwendung von Sonnendächern von einer hohen Sonneneinstrahlung ausgegangen wird, ist die Verwendung von Solarzellen zur Stromversorgung von Feldgeräten 1 mit Sonnendach 7 besonders vorteilhaft. Durch das Aufbringen der Farbstoffsolarzellen bildenden Beschichtung 2 des Sonnendachs 7 wird diejenige Fläche zur Stromerzeugung genutzt, die der Sonne am meisten ausgesetzt ist. Daher ist ein beschichtetes Sonnendach 7 besonders effektiv.
In 3 ist ein Coriolis-Durchflussmessgerät der Anmelderin dargestellt. Dieses Feldgerät 1 ist ein Beispiel für ein Feldgerät 1, welches sich zur vollständigen Beschichtung eignet, da es beim Einbau in eine im Freien verlaufende Rohrleitung vollständig der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Es ist ebenfalls möglich, nur das für die Messung sensitive Rohrelement 41 mit der Beschichtung 2 zu versehen. Ähnlich dem hier dargestellten Coriolis-Durchflussmessgerät können auch die Rohrelemente 41 magnetisch-induktiver oder auf dem Vortexprinzip basierender Durchflussmessgeräte oder die Hornantennen von Radar-Füllstandsmessgeräten mit der Beschichtung 2 versehen sein. Es versteht sich von selbst, dass diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
2: Beschichtung
3: Medium
4: Der Sonnenstrahlung ausgesetztes Teilelement
41: Rohrelement
5: Speichereinheit
6: Stromversorgungseinheit
7: Sonnendach
11: Schwingfähiges Element
12: Gehäuse
13: Gehäusekopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2008/006463 A1 [0003]
- WO 2009/033214 A1 [0010, 0019]

Claims

Feldgerät der Prozessautomatisierung (1) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums (3), bestehend aus mehreren Teilelementen und einer Stromversorgungseinheit (6), wobei mindestens ein Teilelement (4, 41) der Sonnenstrahlung ausgesetzt und zumindest teilweise mit einer Beschichtung (2) versehen ist, oder wobei ein Sonnendach (7) zum Schutz des Feldgeräts (1) vor direkter Sonneneinstrahlung vorgesehen und das Sonnendach (7) mit der Beschichtung (2) versehen ist, wobei die Beschichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass sie Photonen der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandelt und wobei die Stromversorgungseinheit (6) die aus der Beschichtung (2) gewonnene elektrische Energie zur autarken Stromversorgung des Feldgeräts (1) nutzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) aus mehreren Materialien besteht, welche in dünnen Schichten derart auf das mindestens eine Teilelement (4, 41) oder das Sonnendach (7) aufgebracht sind, dass sie eine oder mehrere Farbstoffsolarzellen bilden.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherelement (5) vorgesehen ist, welches die aus der Beschichtung (2) gewonnene Energie speichert.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) sowohl zur Energiegewinnung als auch zum Schutz des Feldgeräts (1) vor Korrosion dient.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Feldgerät (1) um einen Vibrationssensor oder eine kapazitive Sonde zur Füllstandsmessung handelt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, den pH-Wert, den Druck, die Feuchte oder den Durchfluss des Mediums (3) handelt.