DE102012102658A1

DE102012102658A1 - Elektromechanisches Füllstandmessgerät nach dem Verdrängerprinzip oder Senklotprinzip zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter

Info

Publication number: DE102012102658A1
Application number: DE102012102658A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kaiser
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-07-04
Also published as: DE102012102658A8; WO2013097996A1

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein elektromechanisches Füllstandmessgerät nach dem Verdrängerprinzip oder Senklotprinzip zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, enthaltend eine Seiltrommel; ein Seil, das mit einem festen Ende an der Seiltrommel befestigt und von der Seiltrommel auf- und abwickelbar ist; ein Verdrängerelement, das mit einem freien Ende des Seiles verbunden ist; einen Motor, der die Seiltrommel zum Aufwickeln und Abwickeln des Seiles mit dem Verdrängerelement antreibt, eine Hauptelektronik, die zumindest die Steuerung des Motors und zumindest die Auswertung des Füllstands aus den Bewegungsänderungen der Seiltrommel bestimmt. Die Erfindung sieht vor, dass im Verdrängerelement zumindest eine zusätzliche Sensoreinheit mit zumindest einem Sensorelement zur Bestimmung und/oder Überwachung weiterer Prozessmessgrößen des Füllguts im Behälter integriert ist.

Description

Die Erfindung beinhaltet ein elektromechanisches Füllstandmessgerät nach dem Verdrängerprinzip oder Senklotprinzip zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, enthaltend eine Seiltrommel; ein Seil, das mit einem festen Ende an der Seiltrommel befestigt und von der Seiltrommel auf- und abwickelbar ist; ein Verdrängerelement, das mit einem freien Ende des Seiles verbunden ist; einen Motor, der die Seiltrommel zum Aufwickeln und Abwickeln des Seiles mit dem Verdrängerelement antreibt, eine Hauptelektronik, die zumindest die Steuerung des Motors und zumindest die Auswertung des Füllstands aus den Bewegungsänderungen der Seiltrommel bestimmt.
Verfahren und Vorrichtungen zur Füllstandmessung, die nach dem Senklotprinzip arbeiten, sind hinlänglich bekannt. Beispielsweise sind in den Dokumenten DE 21 51 094 , DE 24 01 486 B2 , DE-PS 819 923 , DE 39 42 239 A1 , US-PS 3,838,518 , DE 195 43 352 A1 , G 70 31 884.2 , DE-PS 819 923 , G 73 29 766.2 , DE 19730196 A1 , sowie DE 28 53 360 A1 Füllstandsmesssysteme zur Füllstandsbestimmung beschrieben, die nach dem Senklotprinzip arbeiten. Bei diesen Verfahren zur Füllstandmessung nach dem Senklotprinzip wird ein an einem Messseil hängendes Senklot auf das Füllgut bzw. Schüttgut abgesenkt. Beim Auftreffen auf das Füllgut wird die von der Seiltrommel abgespulte Länge des Messseiles ermittelt und an einer Anzeigevorrichtung die Füllstandshöhe bzw. die Füllmenge angezeigt. Für unterschiedliche Füllgüter werden zweckmäßigerweise unterschiedliche Senklote eingesetzt.
Das Hauptanwendungsgebiet der elektromechanischen Lotung liegt in der Füllstandmessung von sehr hohen Behältern, wo Lösungen mit anderen Messprinzipien sehr kostenintensiv oder aus physikalischen Gründen nicht möglich sind. Mit der elektromechanischen Lotung sind Füllstände in Behältern von derzeit bis zu etwa 70 m Höhe mit einer angemessenen Genauigkeit messbar.
Ein Verfahren zur Füllstandmessung nach dem Senklotprinzip, bei dem die Seiltrommel und die Antriebsachse eines Elektromotors federnd miteinander gekoppelt sind, und bei welchem die Füllstandhöhe durch Zählen von beim Spulvorgang der Seiltrommel erzeugten Impulsen in einer Zähleinrichtung bestimmt wird, beschreibt die DE 31 49 220 A1 der Anmelderin. Bei dem dort beschriebenen Messverfahren wird das Auftreffen des Verdrängerelements auf das Füllgut vorteilhafterweise ohne die Betätigung von mechanischen Schaltgliedern festgestellt. Außerdem ist es bei dem dort beschriebenen Messverfahren nicht mehr notwendig, die elektrischen Eingangsgrößen des Elektromotors überwachen zu müssen. Da der Sensor über dem außerhalb des für das Füllgut bestimmten Raums angeordnet ist, unterliegt sein Aufbau nicht den für das Behälterinnere geltenden Anforderungen. Dies bedeutet, dass für die Mehrzahl von Füllgütern Sensoren mit geringerem Aufwand für die Kapselung eingesetzt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass die Seiltrommel und die mit dem Elektromotor verbundene Antriebswelle dank der Federkopplung relativ zueinander zwischen zwei Endlagen um einen begrenzten Winkelbereich drehbar angeordnet sind. Die Seiltrommel und die Antriebsachse des Elektromotors sind jeweils mit Impulsgeberscheiben drehfest gekoppelt, welche von kontaktlosen Sensoren abgetastet werden. Wenn das Senklot auf die Füllgutoberfläche auftrifft, entfällt die vom Gewicht des Senklots im Messseil hervorgerufene Zugspannung.
Weitere Vorrichtungen zur Flüssigkeitsniveaumessung und Dichtebestimmung die nach dem Verdrängungsmessprinzip arbeiten sind aus der DE 37 21164 A1 , DE 2853360 A1 , DE 2401486 B2 und DE 2659416 A1 bekannt geworden.
Aus der DE 37 21164 A1 ist ein Füllstandsmessgerät bekannt, das einen Schwimmer and einem Draht enthält, der auf der Oberfläche einer nicht veranschaulichten Flüssigkeit schwimmt. Der Draht ist auf einer Trommel aufgewickelt und kann auf diese Trommel aufgespult oder von ihr abgespult werden. Mit dem Boden der Trommel ist eine Messwelle verbunden. Ändert sich das Flüssigkeitsniveau, auf dem der Schwimmer schwimmt, so ändert sich damit auch die vom Draht auf die Trommel ausgeübte Spannung. Diese Änderung der vom Draht ausgeübten Spannung wird über einen als Kupplungsteil wirkenden äußeren Magnetring in ein Drehmoment der Messwelle umgesetzt. Der zylindrische äußere Magnetring ist im Inneren der Trommel mit dem Boden verbunden. Magnetpole Süd- und Nordpole sind in Umfangsrichtung des äußeren Magnetringes abwechselnd angeordnet. An dem mit der Messwelle verbundenen inneren Magnetring sind magnetische Nord- und Südpole in gleicher Anzahl wie am äußeren Magnetring abwechselnd ausgebildet. Ein elektromagnetischer Wandler, z. B. ein Hall-Element ist am äußeren Umfang des inneren Magnetringes im Grenzbereich zwischen unter schiedlichen Magnetpolen angeordnet. Wird bei einer Änderung des zu messenden Flüssigkeitsniveaus eine Kraft erzeugt, die eine Relativbewegung zwischen dem äußeren und inneren Magnetring verursacht, so bewirkt eine Änderung des zwischen dem äußeren und inneren Magnetring vorhandenen magnetischen Flusses im elektromagnetischen Wandler ein elektrisches Signal, durch dass die Messwelle so gedreht wird, dass die Relativbewegung zwischen dem inneren und äußeren Magnetring wieder auf Null zurückgeführt und hierbei ein Messwert des erreichten Flüssigkeitsstandes gewonnen wird.
Das Hauptanwendungsgebiet des Verdrängungsmessprinzip liegt in der Flüssigkeitsniveaumessung und Dichtebestimmung von Flüssigkeiten in sehr hohen Behältern, wo wiederum Lösungen mit anderen Messprinzipien sehr kostenintensiv oder aus physikalischen Gründen nicht möglich sind. Mit der Verdrängungsmessprinzip sind Füllstände in Behältern von derzeit bis zu 100 Meter Höhe mit einer Genauigkeit von unter einem Millimeter messbar.
Aus der DE2853360A1 ist ein Flüssigkeitsniveaumesser mit einem Verdrängungskörper bekannt. Dieser Verdrängungskörper ist mit einem Draht versehen, der auf einer Trommel auf- bzw. abgewickelt werden kann. Die Trommel wird durch eine Welle mit Hilfe eines Motors angetrieben, wobei eine Einrichtung zur Ermittlung der Veränderung des auf die Welle ausgeübten Drehmoments vorgesehen ist.
In der DE 2659416 A1 wird eine Vorrichtung zum Messen eines Flüssigkeitsspiegels beschrieben, bei welcher die Änderung des Flüssigkeitsspiegels in eine Drehbewegung umgesetzt wird. Ferner ist ein Magnetkopf an einem Arm vorgesehen, der sich entsprechend der Änderung des Flüssigkeitsspiegels dreht und dabei Magnetfelder abtastet, die durch am Umfang einer Scheibe angeordnete elektrische Leiter hervorgerufen werden.
Die DE 2401486 B2 offenbart ein Füllstand-Anzeigegerät nach den Verdrängungsmessprinzip, bei dem ein Seil auf einer Trommel ab- oder aufgewickelt wird, wobei eine Zählscheibe mitgedreht wird und dabei über Schutzgas-Kontaktschalter eine fortlaufende Impulsserie erzeugt, die ein Maß der gespendeten Seillänge ist.
Die DE 10 2009 047 728 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens zweier Prozessgrößen eines flüssigen Mediums und/oder gasförmigen Mediums in einem Behälter, wobei ein vibronisches Messgerät mit mindestens einem schwingfähigen Rohr, welches beidseitig offene Endbereiche aufweist, in den Behälter eingebracht ist, wobei eine Antriebs-/Empfangseinheit das Rohr zu mechanischen Schwingungen anregt, wobei eine Hebe-/Senkvorrichtung oberhalb eines maximalen Füllstandes des Mediums angeordnet ist, die das Messgerät entlang einer vertikalen Achse im Behälter bewegt, und dass das Messgerät die Prozessgrößen bestimmt.
Desweiteren sind Vorrichtungen zur Bestimmung mehrerer Prozessgrößen eines Mediums in einem Behälter bekannt, welche eine Sonde mit mehreren Sensoren umfassen, die an einem Kabel in den Behälter in Richtung Füllgut abgelassen wird. Eine Antriebseinheit auf dem Behälter verändert die Position der Sonde im Behälter. Die Sensoren in der Sonde bestimmen mehrere Messgrößen bzw. Parameter des Mediums gleichzeitig. Eine derartige Multiparameter Sonde wird beispielsweise von Scientific Instruments unter dem Namen 6600EDS zur Wasseranalyse angeboten. Der Nachteil solcher eine Vielzahl an Sensoren umfassender Systeme ist, dass diese sehr teuer sind und die einzelnen Sensoren über ein Kabel mit der Elektronik verbunden werden müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache, verbesserte und kostengünstige Vorrichtung zur Füllstandmessung nach dem Verdrängungsmessprinzip oder nach dem Senklotprinzip bereit zu stellen, die die Bestimmung weitere Messgrößen eines Füllguts in einem Behälter ermöglicht.
Diese Aufgabe wird für das elektromechanische Füllstandmessgerät dadurch gelöst, dass im Verdrängerelement zumindest eine zusätzliche Sensoreinheit mit zumindest einem Sensorelement zur Bestimmung und/oder Überwachung weiterer Prozessmessgrößen des Füllguts im Behälter integriert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die integrierte Sensoreinheit in dem Verdrängerelement zumindest eine Recheneinheit zur Auswertung und/oder Bestimmung der Prozessmessgröße der zusätzlichen Sensorelemente und zumindest eine Energieversorgungseinheit, die die zusätzlichen Sensorelemente und die Recheneinheit im Verdrängerelement mit der notwendigen Energie versorgt, enthält.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die integrierte Sensoreinheit in dem Verdrängerelement eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation der Messwerte, der durch die zusätzlichen Sensorelemente ermittelten Prozessmessgrößen und zur Kommunikation mit der Sensorelektronik oder mit der Hauptelektronik umfasst.
Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung ist das zusätzliche Sensorelement beispielsweise

– als Temperatursensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur im Behälter als weitere Prozessmessgröße,
– als ionenselektiver Sensor, insbesondere pH-Sensor oder IS-FET, zur Bestimmung und/oder Überwachung der Ionenanteile im Füllgut als weitere Prozessmessgröße,
– als Drucksensor zur Bestimmung und/oder Überwachung des Drucks im Behälter als weitere Prozessmessgröße,
– als Dichtesensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte des Füllguts als weitere Prozessmessgröße,
– als Viskositätssensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität des Füllguts als weitere Prozessmessgröße, oder
– als Spektrometer zur Bestimmung und/oder Überwachung der Spektren des Füllguts als weitere Prozessmessgröße,
– als Beschleunigungsensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Beschleunigung des Verdrängerelements als weitere Prozessmessgröße,
– als Leitfähigkeitssensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Feuchte des Füllguts als weitere Prozessmessgröße, oder
– als Gassensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Gaskonzentration als weitere Prozessmessgröße,
– als Biosensor mit immobilisierten biologisch aktiven Komponenten zur Bestimmung und/oder Überwachung des Bestands biologischer Substanzen im Füllgut als weitere Prozessmessgröße, oder
– als Teilchendetektor zur Bestimmung und/oder Überwachung der frei beweglicher Elementarteilchen oder Moleküle als weitere Prozessmessgröße ausgebildet ist.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist die Kommunikationseinheit zumindest als eine magnetisch-induktive Schnittstelle bzw. RFID-Schnittstelle, als eine Funk-Schnittstelle und/oder als eine optische Schnittstelle zur Kommunikation der zusätzlichen Messwerte umfasst.
In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung ist die Energieversorgungseinheit als chemische Energieversorgungseinheit, als Brennstoffzelle, als kinetischer Energieversorgungseinheit oder als thermischer Energieversorgungseinheit ausgestaltet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Synchronisationsprozess der Zeitbasen im Verdrängerelement 8 und in der Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 vorgesehen und ist dem Prozessmesswert ein Zeitstempel zugeordnet.
Gemäß eine besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Speichereinheit zur Speicherung der Prozessmessgrößen mit dem zugeordneten Zeitstempel ausgestaltet.
In eine ergänzende Ausführung der Erfindung ist im Verdrängerelement zumindest eine Kamera zur Aufnahme von Bildern im Behälter integriert.
Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung ist ein thermisch, isolierendes Schutzgehäuse um die integrierte Sensoreinheit in dem Verdrängerelement, insbesonderen zumindest um die Energieversorgungseinheit, die Recheneinheit und/oder die Kommunikationseinheit, zur thermischen Isolierung angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Verdrängerelement mit einem die Sensoreinheit hermetisch umschliesenden Gehäuse ausgestalltet ist, wobei das Gehäuse aus einem innerten Polymere, Edelstahl oder Glas ausgestaltet ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Messgeräts zur Ermittlung des Füllstands nach dem Verdrängungsmessprinzip,
2 eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen, elektromechanischen Füllstandsmessgeräts,
3 eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdrängerelements,
4 eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdrängerelements,
5 eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdrängerelements, und
6 eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdrängerelements.
In 1 ist ein mechanisches Füllstandsmessgerät 1 gezeigt, das beispielsweise von der Anmelderin unter dem Namen PROSERVO NMS 53x – Tankmesssystem vertreiben wird und auf dem Prinzip der Verdrängungsmessung eines Verdrängerelementes 8 basiert. Ein kleines Verdrängerelement 8 wird mit Hilfe eines Servomotors 3 an einem Messseil 25 präzise in der Flüssigkeit 12 im Behälter 13 positioniert. Das Verdrängerelement 8 besteht beispielsweise aus einem Gehäuse mit einem dem Auftrieb des Verdrängerelements 8 entsprechenden Hohlraums oder aus einem Vollmaterialkörper. Das Gehäuse oder der Körper des Verdrängerelements 8 ist beispielsweise aus einem innerten Polymer, z. B. PTFE-Polytetraflourethylen, einem Edelstahl und/oder einem innerten Glas gefertigt. Es sind auch andere Materialeine für das Gehäuse des Verdrängerelements einsetzbar, jedoch müssen diese Materialien innert gegen das Füllgut 12 in dem Behälter 13 sein, damit das Material des Verdrängerelements 8 nicht korrodiert oder chemisch angegriffen wird. Sobald der Füllstand 14 der Flüssigkeit 12 im Behälter 13 steigt oder fällt, wird die Position des Verdrängerelements 8 vom Servomotor 3 über ein magnetisch gekoppelte Seiltrommel 9 nachgeführt. Die Seiltrommel 9 besteht aus einer äußeren Seiltrommel 10 und einer inneren Seiltrommel 11, die beide hermetisch voneinander getrennt sind und über Magnete rotationsmechanisch auf einer Messwelle 49 gekoppelt sind. Die Drehung der Seiltrommel 9 auf einer Messwelle 49 wird zur Ermittlung des Füllstands 14 ausgewertet. Auch die Ermittlung weiterer Messgrößen wie Trennschicht- und Dichtemessung der einzelnen Schichten des Füllguts 12 im Behälter 13 kann mit diesem Messprinzip durchgeführt werden.
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte 1 in der Regel über Feldbusse 5, wie beispielsweise über Profibus^®PA, Foundation Fieldbus^® oder HART^® mit zumindest einer übergeordneten Steuereinheit, die hier nicht explizit gezeigt ist, verbunden. Die von der Steuereinheit gesteuerte Datenkommunikation auf dem Bussystem 5 kann sowohl drahtgebunden als auch drahtlos erfolgen. Normalerweise handelt es sich bei der übergeordneten Steuereinheit um eine SPS bzw. eine PLC (Programmable Logic Controller) oder um eine DCS (Distributed Control System). Die übergeordnete Steuereinheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte 1.
Eine SCADA-Software (Supervisory Control and Data Acquisition) in der Steuereinheit zur Überwachung und Steuerung von technischen Prozessen berechnet beispielsweise die Masse der Flüssigkeits- und Gasphase von Flüssiggasen aus den Messwerten Füllstand, Druck, Temperatur und natürlich der Dichte. Der über dem Proservo gemessene Füllstand 14 wird beispielsweise auf einen Feldbus 5 ausgegeben und beispielsweise von einem Endress+Hausser eingesetzte Feldbusinterface (RTU 8130) eingelesen. Die anderen Prozessdaten, Druck und Temperatur, gelangen über die OPC Client/Server Schnittstelle ins Überwachungssystem. Nachdem die Daten dort berechnet werden, stehen sie dem Leitsystem zur Verfügung.
Diese Berechnung und Überwachung des Prozesses in dem Behälter 13 kann durch das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 direkt von dessen Hauptelektronik 6 oder Sensorelektronik 7 ausgeführt werden. Die weiteren Prozessgrößen, wie Druck, Temperatur, pH-Wert werden von den im Verdrängerelement 8 integrierten Sensoreinheiten 4 erfasst und über die ebenfalls integrierte Kommunikationseinheit 15 an die Sensorelektronik 7 oder an die Hauptelektronik 6 im Elektronikraum 32 des Füllstandsmessgeräts 1 übermittelt. Dies hat den Vorteil, dass keine weiteren Feldgeräte 1 zur Ermittlung der weiteren Prozessmessgrößen eingesetzt werden müssen.
In 2 ist der erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 gezeigt, welches nach dem Verdrängerprinzip eines Verdrängerelements bzw. Schwimmers 8 arbeitet. Ein kleines Verdrängerelement 8 wird mit Hilfe des kleinen Servomotors 3 präzise in der Flüssigkeit bzw. in dem flüssigen Füllgut 14 positioniert. Das Verdrängungselement 8 hängt an dem Messdraht bzw. -seil 25, der auf eine mit feinen Rillen versehene äußeren Messtrommel bzw. äußere Seiltrommel 10 im Trommelraum 31 des Füllstandsmessgeräts 1 mit gleich bleibendem Wicklungsdurchmesser einlagig aufgewickelt ist. Die äußere Seiltrommel 10 ist beispielsweise über Koppelmagnete mit der inneren Seiltrommel 11 gekoppelt, die durch das Sensorgehäuse 2 vollständig und hermetisch dicht voneinander getrennt sind. Die äußeren Magneten sind mit der äußeren Seiltrommel 10 fest verbunden, die inneren Magneten mit der inneren Seiltrommel 11. Durch die Magnete sind die äußeren Seiltrommel 10 und die innere Seiltrommel 11 rotationsmechanisch auf einer Messwelle 49 ausgerichtet. Während sich die Magneten drehen, veranlasst die magnetische Anziehungskraft die äußeren Magneten, sich mitzudrehen, so dass die gesamte Trommelbaugruppe bzw. Seiltrommel 9 aus äußerer Seiltrommel 10 und innerer Seiltrommel 11 auf der Messwelle 51 rotiert.
Durch das Gewicht des Verdrängerelements 8 am Messdraht 25 wirkt ein Drehmoment auf die äußeren Magnete, wodurch es zu einer Änderung des magnetischen Flusses kommt. Diese zwischen den Komponenten der Seiltrommeln 10, 11 wirkenden Magnetfeld-Ränderungen werden von einem speziellen elektromagnetischen Messwandler, z. B. einem Hallsensor, auf der Inneren Messtrommel 11 erfasst. Das Messwandlersignal des Messwandlers wird über Sensorsignalleitungen entlang der Messwelle 51 mittels eines Schleifkontakts oder mittels eines Rotationstransformators an die Sensorelektronik 7 übermittelt, wo das Messwandlersignal von der Sensorelektronik 7 in ein Gewichtsmesssignal weiterverarbeitet wird. Diese Gewichtsmesssignal wird mit dem Positionsdatensignal eines auf der Messwelle 51 befindlichen Enkoders bzw. Kodieres von einem Mikroprozessor in der Hauptelektronik 6 ausgewertet und ein entsprechendes Motorsteuersignal an den Motor 3 übermittelt. Wenn sich der Verdrängerelement 8 absenkt und auf der Oberfläche 47 der Flüssigkeit 12 aufsetzt, wird das Gewicht des Verdrängerelements 8 durch die Auftriebskraft der Flüssigkeit 12 vermindert. Dadurch ändert sich das Drehmoment in der Magnetkupplung zwischen der äußeren Seiltrommel 10 und der inneren Seiltrommel 11. Diese Änderung wird beispielsweise von fünf temperaturkompensierten Hall-Detektor-Chips als Messelement gemessen. Das Positionsdatensignal, das die Position des Verdrängerelements 8 anzeigt, wird an die Motorsteuerelektronik in der Hauptelektronik 6, z. B. einen Mikroprozessor, übertragen. Sobald der Füllstand 14 der Flüssigkeit 12 steigt und fällt, wird die Position des Verdrängerelements 8 vom Antriebsmotor 3 mittels eines Getriebes nachgeführt. Die Drehung der Seiltrommel 9 wird genau ausgewertet, um den Füllstandswert 14 bis auf +/–0,7 mm genau zu ermitteln.
Beim Auftreten eines Überschreitens des anfänglich bestimmten Absolutwertes für das auf die Seiltrommel 9 wirkende Drehmomentes während des Anhebens des Verdrängerelements 8 bis zu einem vorgegebenen Abstand zur Endanschlageinrichtung kann eine Steuerroutine von der Auswerte- und Steuereinrichtung gestartet werden, welche eine Laufunterbrechung, eine kurze Richtungsumkehr und ein anschließendes erneutes Anheben des Verdrängerelements 8 mit reduziertem Drehmoment vorsieht. Diese Steuerroutine kann mehrmals hintereinander durchgeführt werden und das Verdrängerelement 8 nach einer vorgegebenen Anzahl, z. B. vier Hebeversuche, von vergeblichen Hebeversuchen mit maximalem Drehmoment angehoben werden. Gelingt dies nicht, wird zweckmäßigerweise eine Störmeldung generiert und beispielsweise über den Feldbus 5 an eine Leitwarte übermittelt.
Zusätzlich zum Füllstand 14 als hauptsächliche Prozessmessgröße des Füllstandmessgeräts 1 können durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verdrängerelements 8 mit integrierter Sensoreinheit 4 weitere Prozessgrößen, wie beispielsweise der Druck und die Temperatur im Behälter 13, ermittelt werden. Hierzu ist in der im Verdrängerelement 8 integrierten Sensoreinheit 4 zumindest ein Sensorelement 34, wie beispielsweise ein Drucksensor 37 und ein Temperatursensor 35, zur Ermittlung dieser zusätzlichen Prozessgrößen ausgestaltet. Die Sensoreinheit 4 im Verdrängerelement 8 ist autark ausgestaltet, so dass das Verdrängerelement 8 mit den entsprechenden Sensoreinheiten 4, welche die zusätzlich gewünschte Prozessgröße ermittelnde Sensorelemente 34, wie z. B. einen Drucksensor 37 oder Dichtesensor 38, enthält, an dem Messseil 25 einfach eingehängt werden kann, ohne dass die Sensoreinheit 4 oder die Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 entsprechend angepasst werden muss.
Hierzu ist die Kommunikationseinheit 15 der Sensoreinheit 4 zur Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 beispielsweise einheitlich als magnetisch-induktive Schnittstelle 16 mit einer Primärspule 17 in dem Trommelraum 31 des Füllstandmessgeräts 1 und mit einer Sekundärspule 18 im Verdrängerelement 8 ausgebildet. Über diese magnetisch-induktive Schnittstelle 16 wird die Sensoreinheit 4 in dem Verdrängerelement 8 ausgehend von der Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 über die Primärspule mit der notwendigen Energie versorgt. Diese Energie wird beispielsweise in einem Akkumulator 28 gespeichert und steht der Sensoreinheit 4 im weiteren Messbetrieb zur Verfügung. Zur Kommunikation und zur Energieübertragung wird das erfindungsgemäße Verdrängerelement 8 durch Aufwickeln des Messseils 25 auf die Seiltrommel 9 in den Trommelraum 31 gezogen, so dass die Primärspule 17 am Gehäuse 2 und die Sekundärspule 18 im Verdrängerelement 8 sich räumlich überlappen. Die Kommunikation über die Primärspule 17 am Gehäuse 2 und die Sekundärspule 18 im Verdrängerelement 8 erfolgt beispielsweise durch Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation des übertragenen Energiesignals.
Diese drahtlose Verbindung ist vor allen Dingen, dann von Vorteil, falls die Energieversorgung und die Kommunikation zwischen Sensoreinheit 4 und der Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 im Gehäuse 2 des Füllstandsmessgeräts 1 ausschließlich mittels einer RFID-Transpondertechnik erfolgt. Dabei fungiert die Sensoreinheit 4 mit dem Sensor 2 als Transponder der von der Primärspule 17 der Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 als ein Lesegerät ausgelesen werden kann. Die Datenübertragung zwischen dem Transponder und Lesegerät findet im Normalfall mittels elektromagnetischer Wellen statt. Bei niedrigen Frequenzen wird dies durch eine induktive Nahfeldkopplung und bei höheren Frequenzen durch ein elektromagnetisches Fernfeldkopplung erreicht.
Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders bei Verwendung von Sensorelemten 34 in den Sensoreinheiten 4 interessant, die selbst kaum oder nur sehr wenig Energie verbrauchen. Außerdem ist in aktiven RFID-Transpondern meist ein kleiner aufladbarer Energiespeicher, z. B. Akkumulator 28, integriert. Die Synchronisation der Taktung in der Sensoreinheit 4 und der Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 erfolgt in dieser Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass zu Beginn des Abrufs der elektrischen Messgröße von der Sensoreinheit 4 durch die der Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 benötigte Energie, z. B. eventuell zum Aufladen der Energieversorgungseinheit 26, und das Taktsignal bzw. ein Zeitstempel an die Sensoreinheit 4 übertragen wird. Durch die Synchronisation der Zeitbasen in der Sensoreinheit 4 im Verdrängerelement 8 und in der Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 ist es möglich, dass die von der Sensoreinheit 4 ermittelten zusätzlichen Prozessgrößen in Relation zu den Positionsdaten des Encoders am Schrittmotors 3 bzw. zur aktuellen Position der Verdrängerelements 8 im Behälter 13 gesetzt werden kann. Durch diese Relation der Zeitbasen kann ein Profil der Prozessgrößen im Behälter 13 ermittelt werden.
Die zusätzlich ermittelten Prozessgrößen der Sensoreinheit 4 in dem Verdrängerelement 8 können auch zu Diagnose des Feldgeräts 1 oder Verifikation des Messwerts des Füllstands 15 des Feldgeräts 1 verwendet werden.
Die in den folgenden Ausgestaltungen des Verdrängerelements 8 der 3 bis 6 sind nur als mögliche Ausgestaltungsbeispiele anzusehen. Es sind jedoch alle weiteren Permutationen des Verdrängerelements 8 mit den verschiedenen Sensorelementen 34, 35 bis 45, den verschiedenen Kommunikationseinheiten 15, 16 bis 23 und den verschiedenen Energieversorgungseinheiten 26, 27 bis 30 möglich.
In 3 eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdrängerelements 8 mit einer Sensoreinheit 4 gezeigt, welche zumindest einen chemischen Energiespeicher 28 als Energieversorgungseinheit 26, der über die Sekundärspule 18 aufgeladen wird, wenn sich das Verdrängerelement 8 in Ladeposition im Trommelraum 31 befindet, umfasst. Das über die Sekundärspule 18 empfangene Frequenz- und/oder Amplitudenmodulierte Kommunikationssignals wird von der Recheneinheit 46 empfangen oder die ermittelten, zusätzlichen Prozessgrößen der Sensorelemente 34 werden über die Sekundärspule 18 und die Primärspule 17 auf gleich Art und Weise an die Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 übermittelt. Die Recheneinheit 46 fordert die Messwerte der Sensorelemente 34 entsprechend der vorgegebene Zeitzyklen in gewissen Zeitbereichen an, speichert diese mit einem Zeitstempel versehen in einem Speichereinheit 52 ab und übermittelt diese Prozessmesswerte an die Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6, sobald sich die die Spulen 17, 18 der magnetisch-induktiven Schnittstelle 16 räumlich decken und/oder diese Prozessmesswerte von Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 angefordert werden. Die Recheneinheit 34 umfasst beispielsweise einen Mikroprozessor zur Auswertung der Messwerte, zu Kommunikation mit den Elektroniken 6,7 und zur Regelung der Energieversorgung 26. Die Sensorelemente 34 in diesem Ausführungsbeispiel sind als Temperatursensor 35 und pH-Sensor bzw. Ionenselektiver Feldeffekttransistor (IS-FET) 36 ausgestaltet. Es können jedoch jegliche Arten von Sensorelementen 34 in dem erfindungsgemäßen Verdrängerelement 8 integriert werden. Die einzelnen Sensorelemente 34, 35 bis 45 werden hier nicht mehr explizit ausgeführt und erklärt.
Bei extremen Umgebungstemperaturen im Behälter 13 kann es notwendig sein, dass ein thermisch, isolierendes Schutzgehäuse 33 um die integrierte Sensoreinheit 4 in dem Verdrängerelement 8, insbesonderen zumindest um die Energieversorgungseinheit 26 mit dem Akkumulator 28, die Recheneinheit 46 und/oder die Kommunikationseinheit 15 mit der Sekundärspule 18, zur thermischen Isolierung dieser temperaturempfindlichen Bauteile angeordnet ist.
Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verdrängerelements 8 in 4 zeigt im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in 3 die folgenden Unterschiede in der Ausgestaltung auf. Als Sensorelemente 34 ist hier beispielsweise ein Drucksensor 37 zur Ermittlung des Druckprofils im Behälter, ein Viskositätsmesser 39 zur Bestimmung der Viskosität des Füllguts 12 im Behälter 13, ein Spektrometer 40 zur Ermittlung des elektromagnetischen Wellenspektrums des Füllguts 12, und/oder ein Leitfähigkeitssensor 42 zur Bestimmung des Leitwerts des Füllguts 12 integriert. Desweiteren wird als Energieversorgungseinheit 26 ein kinetischer Energiespeicher 29 in Form eines Schwungrades mit einem Generator verwendet, welcher die durch Bewegung des Schwungrades erzeugte Energie in einem Akkumulator speichert. Die Bewegung des Schwungrades kann hierbei außerhalb des Füllstand-Messbetriebs des Füllstandmessgeräts 1 speziell durch die ruckartige Auf- und Abwickelung des Messseils 25 und somit des Verdrängerelements 8 erzeugt werden. Als Kommunikationseinheit 15 ist in dem Verdrängerelement 8 eine Funk-Schnittstelle 20 mit einer Antenne integriert, welche auch im Fernfeldbereich die ermittelten, zusätzlichen Prozessmesswerte an die Sensor- 7 bzw. Hauptelektronik 6 im Elektronikraum 32 des Füllstandsmessgeräts 1 sendet. Das Verdrängerelement 8 muss in diesem Fall nicht mehr in eine entsprechende Kommunikationsposition gebracht werden. Eine Antenne ist ein Element zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen zur drahtlosen Kommunikation. Sie wandelt als Sendeantenne leitungsgebundene elektromagnetische Wellen in Freiraumwellen um, oder umgekehrt als Empfangsantenne die als Freiraumwelle ankommenden elektromagnetischen Wellen zurück in leitungsgebundene elektromagnetische Wellen.
In den Elektroniken 6, 7 des Feldgeräts 1 muss ebenfalls eine entsprechende Funk-Schnittstelle 20 zur wechselseitigen Kommunikation vorliegen. Die Funk-Schnittstelle 20 ist beispielsweise nach dem WLAN, Bluetooth oder WirelessHART-Standard ausgebildet. Die Kommunikationszyklen werden beispielsweise von der Elektroniken 6, 7 in dem Feldgerät 1 festgelegt, indem diese Anfragen an die Funk-Schnittstelle 20 des Verdrängerelementes 8 senden und entsprechende Antworten erhalten.
Als weiteres Element kann auch eine Kamera 51 zur Aufnahme von Bildern im Behälter 13 in dem Verdrängerelement 8 eingebaut sein.
In 5 ist eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdrängerelements mit den Sensorelementen 34 als Gassensor 43 zur Ermittlung der Konzentration der Gasanteile im Behälter 13, als Biosensor 44 mit immobilisierten biologisch aktiven Komponenten zur Bestimmung und/oder Überwachung des Bestands biologischer Substanzen im Füllgut (12) und/oder als Teilchendetektor 45 zum Nachweis von freien, bewegten Molekülen, Atomen, Elementarteilchen oder Ionen. Die Energieversorgungseinheit 26 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Peltierelement, welcher basierend auf dem Peltier-Effekt aufgrund einer Temperaturdifferenz einen Stromfluss in dem Element erzeugt, ausgestaltet. Die Kommunikationseinheit 15 ist als optische Schnittstelle 22 mit Leuchtdiode bzw. Laser 23 zum Senden und optischem Detektor zum Empfangen ausgebildet. Zur zusätzlichen Energieübertragung von der Hauptelektronik 6 auf die Sensoreinheit 4 ist in der Sensoreinheit 4 beispielsweise eine Photovoltaikzelle integriert, die wiederum einen Akkumulator 28 speist, welche nicht explizit gezeigt ist.
In der vierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdrängerelements 8 als 6 ist die Kommunikationseinheit 15 als RFID-Schnittstelle 19 ausgestaltet. Die Energieversorgungseinheit 26 weist hier eine Brennstoffzelle 27 auf, die über die geringe Entnahme von Füllgut 12 im Behälter 13 mittels einer Kapillaren 50 die notwendige Energie zu Versorgung der Sensoreinheit 4 erzeugt. Die Sensorelemente 34 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Beschleunigungssensor 41 zur Bestimmung der Beschleunigungen des Verdrängerelements 8 oder als Ionenselektiver Sensor 36, insbesonderen pH-Sensor oder Ionenselektiver Feldeffekttransistor 36, ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Füllstandsmessgerät, Feldgerät
2: Gehäuse, Sensorgehäuse
3: Motor, Schrittmotor, Servomotor, Antriebsmotor
4: Sensoreinheit
5: Feldbus, Zweidrahtleitung
6: Hauptelektronik
7: Sensorelektronik
8: Verdrängerelement
9: Seiltrommel
10: Äußere Seiltrommel
11: Innere Seiltrommel
12: Füllgut, Medium, Flüssigkeit
13: Behälter
14: Füllstand
15: Kommunikationseinheit
16: magnetisch-induktive Schnittstelle
17: Primärspule
18: Sekundärspule
19: RFID
20: Antenne, Funk-Schnittstelle
21: WLAN, Bluetooth
22: optische Schnittstelle
23: Leuchtdiode, Laser
24: Farbscanner
25: Seil, Messseil, Messdraht
26: Energieversorgungseinheit
27: Brennstoffzelle
28: chemischer Energieversorgungseinheit, Akkumulator, Batterie
29: Kinetische Energieversorgungseinheit, Schwungrad
30: Thermische Energieversorgungseinheit, Peltierelement
31: Trommelraum, Trommelgehäuse
32: Elektronikraum
33: thermisch isolierendes Schutzgehäuse
34: Sensorelement
35: Temperatursensor
36: Ionensefektiver Sensor, pH-Sensor, IS-FET
37: Drucksensor
38: Dichtesensor
39: Viskositätsmesser
40: Spektrometer
41: Beschleunigungssensor
42: Leitfähigkeitssensor
43: Gassensor
44: Biosensor
45: Radiometrischer Sensor, Teilchendetektor
46: Recheneinheit
47: Oberfläche
48: Durchführung
49: Messwelle
50: Rohr, Kapillare
51: Kamera
52: Speichereinheit

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

DE 2151094 [0002]
DE 2401486 B2 [0002, 0005, 0010]
DE 819923 [0002, 0002]
DE 3942239 A1 [0002]
US 3838518 [0002]
DE 19543352 A1 [0002]
DE 7031884 [0002]
DE 7329766 [0002]
DE 19730196 A1 [0002]
DE 2853360 A1 [0002, 0005, 0008]
DE 3149220 A1 [0004]
DE 3721164 A1 [0005, 0006]
DE 2659416 A1 [0005, 0009]
DE 102009047728 A1 [0011]

Claims

Elektromechanisches Füllstandmessgerät (1) nach dem Verdrängerprinzip oder Senklotprinzip zur Bestimmung des Füllstands (14) eines Füllguts (12) in einem Behälter (13), enthaltend – eine Seiltrommel (9); – ein Seil (25), das mit einem festen Ende an der Seiltrommel (9) befestigt und von der Seiltrommel (9) auf- und abwickelbar ist; – ein Verdrängerelement (8), das mit einem freien Ende des Seiles (25) verbunden ist; – einen Motor (3), der die Seiltrommel (9) zum Aufwickeln und Abwickeln des Seiles (25) mit dem Verdrängerelement (8) antreibt, und – eine Hauptelektronik (6), die zumindest die Steuerung des Motors (3) und zumindest die Auswertung des Füllstands (14) aus den Bewegungsänderungen der Seiltrommel (9) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdrängerelement (8) zumindest eine zusätzliche Sensoreinheit (4) mit zumindest einem Sensorelement (23) zur Bestimmung und/oder Überwachung weiterer Prozessmessgrößen des Füllguts (12) im Behälter (13) integriert ist.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Sensoreinheit (4) in dem Verdrängerelement (8) zumindest eine Recheneinheit (46) zur Auswertung und/oder Bestimmung der Prozessmessgröße der zusätzlichen Sensorelemente (34) und zumindest eine Energieversorgungseinheit (26), die die zusätzlichen Sensorelemente (34) und die Recheneinheit (46) im Verdrängerelement (8) mit der notwendigen Energie versorgt, enthält.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach zum Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Sensoreinheit (4) in dem Verdrängerelement (8) eine Kommunikationseinheit (15) zur Kommunikation der Messwerte, der durch die zusätzlichen Sensorelemente (32) ermittelten Prozessmessgrößen und zur Kommunikation mit der Sensorelektronik (7) oder mit der Hauptelektronik (6) umfasst.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzlichen Sensorelement (32) – als Temperatursensor (35) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur im Behälter (13) als weitere Prozessmessgröße, – als ionenselektiver Sensor (36), insbesondere pH-Sensor oder IS-FET, zur Bestimmung und/oder Überwachung der Ionenanteile im Füllgut (12) als weitere Prozessmessgröße, – als Drucksensor (37) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Drucks im Behälter (13) als weitere Prozessmessgröße, – als Dichtesensor (38) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte des Füllguts (12) als weitere Prozessmessgröße, – als Viskositätssensor (39) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität des Füllguts (12) als weitere Prozessmessgröße, oder – als Spektrometer (40) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Spektren des Füllguts (12) als weitere Prozessmessgröße, – als Beschleunigungsensor (41) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Beschleunigung des Verdrängerelements (8) als weitere Prozessmessgröße, – als Leitfähigkeitssensor (42) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Feuchte des Füllguts (12) als weitere Prozessmessgröße, oder – als Gassensor (43) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Gaskonzentration als weitere Prozessmessgröße, – als Biosensor (44) mit immobilisierten biologisch aktiven Komponenten zur Bestimmung und/oder Überwachung des Bestands biologischer Substanzen im Füllgut (12) als weitere Prozessmessgröße, oder – als Teilchendetektor (45) zur Bestimmung und/oder Überwachung der frei beweglicher Elementarteilchen oder Moleküle als weitere Prozessmessgröße ausgebildet ist.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (15) zumindest eine magnetisch-induktive Schnittstelle (16) bzw. RFID-Schnittstelle (17), eine Funk-Schnittstelle (20) und/oder eine optische Schnittstelle (22) zur Kommunikation der zusätzlichen Messwerte umfasst.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (26) als chemische Energieversorgungseinheit (28), als Brennstoffzelle (27), als kinetischer Energieversorgungseinheit (29) oder als thermischer Energieversorgungseinheit (30) ausgestaltet.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Synchronisationsprozess der Zeitbasen im Verdrängerelement (8) und in der Sensor- (7) bzw. Hauptelektronik (6) vorgesehen ist und dem Prozessmesswert ein Zeitstempel zugeordnet ist.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (52) zur Speicherung der Prozessmessgrößen mit dem zugeordneten Zeitstempel ausgestaltet ist.
Elektromechanisches Füllstandsmeßgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdrängerelement (8) zumindest eine Kamera (51) zur Aufnahme von Bildern im Behälter (13) integriert ist.
Füllstandsmeßgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch, isolierendes Schutzgehäuse (33) um die integrierte Sensoreinheit (4) in dem Verdrängerelement (8), insbesonderen zumindest um die Energieversorgungseinheit (26), die Recheneinheit (46) und/oder die Kommunikationseinheit (15), zur thermischen Isolierung angeordnet ist.
Füllstandsmeßgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 7, 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement (8) zumindest ein die Sensoreinheit (4) hermetisch umschliesendes Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse aus einem innerten Polymere, Edelstahl oder Glas ausgestaltet ist.