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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Sauerstoffgehaltes in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, vorzugsweise zur Überwachung einer sicherheitsrelevanten Anlage sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Zur Messung des Sauerstoffgehaltes in einem gasförmigen oder flüssigen Medium sind Sensoren bekannt, die auf unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien beruhen. So werden paramagnetische Sensoren verwendet, die auf der paramagnetischen Eigenschaft von Sauerstoff basieren. Das sich im Sensor befindliche Medium wird durch einen Heizdraht beheizt. Bei Anwesenheit von Sauerstoff werden die Sauerstoffmoleküle zum Heizdraht hin beschleunigt, wo sie ihre magnetische Eigenschaft auf Grund zunehmender Temperaturen verlieren. So entsteht eine Strömung, deren Intensität vom Sauerstoffgehalt abhängt. Diese zusätzliche Strömung kühlt den Heizdraht zusätzlich ab, was zu einer Widerstandsänderung führt, welche detektiert wird.
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Des Weiteren sind amperometrische Sensoren zur Sauerstoffmessung bekannt, bei welchen nach Anlegen einer definierten Polarisationsspannung an ein Zwei-Elektrodensystem Sauerstoff an einer Arbeitselektrode reduziert wird. Die Messzelle ist dabei über eine Membran von dem zu untersuchenden Messmedium getrennt. Dabei fließt ein Diffusionsgrenzstrom, der proportional dem Sauerstoffpartialdruck im gasförmigen oder flüssigen Medium ist.
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Der Nachteil solcher paramagnetischer und amperometrischer Sensoren besteht in einem hohen Kalibrier- und Wartungsaufwand.
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In einer weiteren Alternative wird der Sauerstoffgehalt über Zirkoniumdioxid-Sensoren bestimmt, in welchen eine Membran ein Referenzgas von einem zu messenden Gas trennt. Unterscheiden sich die Sauerstoffgehalte der beiden Gase, bildet sich eine elektrochemische Zelle. Ein Sauerstoffionengradient der elektrochemischen Zelle, welcher eine Potentialdifferenz zur Folge hat, ist ein Maß für den Sauerstoffgehalt des zu messenden Gases. Auch bei dieser Sensorart ist ein hoher instrumenteller Aufwand notwendig, um eine genaue Messung des Sauerstoffgehaltes eines Mediums durchzuführen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Sauerstoffgehaltes anzugeben, bei welcher trotz geringen instrumentellen Aufwands eine genaue Bestimmung des Sauerstoffgehaltes möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Sauerstoffgehalt durch eine Dichtemessung des Mediums ermittelt wird, wobei zur Bestimmung der Dichte vorzugsweise ein Coriolis-Massendurchflussmesser verwendet wird. Die Verwendung dieses Coriolis-Massendurchflussmessers erfordert geringe Installations- und Anschaffungskosten und erlaubt eine hohe Betriebssicherheit, insbesondere in sicherheitsrelevanten Anlagen wie beispielsweise solche mit einer Schutzgas- und/oder Explosionsschutzüberwachung. Eine genaue Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in einem zu messenden Medium wird zuverlässig gewährleistet.
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Vorteilhafterweise wird die Dichte des Mediums durch Ermittlung einer Frequenz eines Schwingelementes des mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmessers ermittelt. Der mikromechanische Coriolis-Massendurchflussmesser kann für eine automatisierte Sauerstoffgehaltsmessung verwendet werden, weshalb nicht nur ein Einsatz im Labor sondern auch in großtechnischen Anlagen wie z. B. in der chemischen Industrie möglich ist. Eine Kalibrierung des mikromechanischen Massendurchflussmessers ist einfach möglich, wobei nach einer applikationsspezifischen Kalibrierung der Anteil des Sauerstoffs in einem Elektronikteil des Massendurchflussmessers hinterlegt wird. Eine Justierung eines Sauerstoffgrenzwertes ist ebenfalls einfach möglich.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Sauerstoffgehaltes in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, vorzugsweise für eine Überwachung einer sicherheitsrelevanten Anlage, umfassend eine Probenaufnahme. Bei einer Vorrichtung, die einen geringen Installations- und Anschaffungsaufwand erfordert, aber trotzdem eine hochgenaue Messung des Sauerstoffgehaltes ermöglicht, ist in der Probenaufnahme ein mikromechanischer Coriolis-Massendurchflussmesser angeordnet. Durch die Verwendung des mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmessers wird eine Messvorrichtung erstellt, welche nur wenige Quadratmillimeter groß ist und demzufolge sehr platzsparend ist. Trotzdem ist diese robuste Messanordnung an einer Vielzahl von Messorten installierbar.
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Vorteilhafterweise ist dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser ein Partikelfilter vorgelagert. Dieser Partikelfilter dient als mechanisches Sieb und unterbindet die Passage des mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmessers für alle Partikel ab einer vorgegebenen Größe.
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In einer Variante ist dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser eine Pumpeinheit nachgeordnet. Diese Pumpeinheit saugt bei nicht ausreichend im Medium vorhandener Eigenenergie das zu untersuchende Medium durch das Partikelfilter und den Massendurchflussmesser.
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Die Pumpeinheit kann alternativ dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser vorgelagert, insbesondere zwischen dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser (4) und dem dem Coriolis-Massendurchflussmesser vorgelagerten Parikelfilter (4), angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform ist die Probenaufnahme in einem einfachen Bypass zu einer Messstelle angeordnet. Eine solche Bypasslösung erlaubt ein Nachrüsten des mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmessers an jeder beliebigen Messstelle.
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Alternativ ist die Probenaufnahme direkt an der Messstelle angeflanscht. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Maßnahmen zu Gestaltung eines Zu- und Abflusses für das zu untersuchende Medium notwendig sind, wodurch eine kostengünstige Lösung erzielt wird.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in einem Medium
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2: ein Ausführungsbeispiel für einen mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser
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3: eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem ersten Messort
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4: eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem zweiten Messort
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Sauerstoffgehaltes in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, wobei das gasförmige Medium Stickstoff, Luft oder ein anderes Schutzgas sein kann. Solche Vorrichtungen werden in explosionsgefährdeten und/oder sicherheitsrelevanten Bereichen zur Explosionsschutz- sowie Schutzgasüberwachung eingesetzt.
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Die Vorrichtung 1 gemäß 1 umfasst einen Zufluss 2 und einen Abfluss 3, durch welche das zu untersuchende Medium in die Vorrichtung 1 ein- und wieder ausströmen kann. Innerhalb der Vorrichtung 1, die als Probenaufnahme für das zu untersuchende Medium dient, ist ein Partikelfilter 4 angeordnet, welchem ein mikromechanischer Coriolis-Massendurchflussmesser 5 nachgeordnet ist. Hinter dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser 5 ist eine Saugpumpe 6 positioniert, an welche sich der Abfluss 3 anschließt. Eine erste Kapillare 7 verbindet das Partikelfilter 4 mit dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser 5, während eine zweite Kapillare 8 den mikromechanischen Massendurchflussmesser 5 mit der Saugpumpe 6 verbindet. Die drei Hauptkomponenten der Vorrichtung 1 wie Partikelfilter 4, Pumpeneinheit 6 und mikromechanischer Coriolis-Massendurchflussmesser 5 sind dabei so in der Probenaufnahme angeordnet, dass sie einzeln auswechselbar sind.
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Vor der Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des einströmenden Mediums, wird dieses zunächst durch das Partikelfilter 4 geleitet. Der Partikelfilter 4 lässt nur Partikel durch, deren Abmaße kleiner sind als ein Durchmesser der Kapillare 7, 8, um einen ständigen Durchfluss des Mediums durch die Vorrichtung 1 zu gewährleisten.
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Das so gereinigte Medium trifft nun auf den mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser 5, welcher die Dichte des Sauerstoffs als Maß für den Sauerstoffgehalt im zu untersuchenden Medium bestimmt. Die hinter dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser 5 angeordnete Saugpumpe 6 gewährleistet, dass das zu untersuchende Medium in die Vorrichtung 1 angesaugt wird und nach erfolgter Messung in den Abfluss 3 wieder an den Messort zurückgeführt wird. Das von dem mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmesser 5 bestimmte Messergebnis der Dichte wird über einen nicht weiter dargestellten Messumformer drahtlos an eine Prozessleitzentrale übersendet, die diesen Wert auswertet und bestimmt, ob der Explosionsschutz gegeben ist.
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Eine Ausführungsform eines mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmessers
5 ist in
2 dargestellt. Solche mikromechanischen Massendurchflussmesser sind hinreichend bekannt und beispielsweise in der
US 6,935,010 B2 und der
US 6,499,351 B1 beschrieben. Auf einem Träger
9, welcher beispielsweise aus einem Borsilikatglas besteht, ist ein Silikonmikrorohr
10 befestigt, welches vorteilhafterweise U-förmig ausgebildet ist. Dabei sind die freien Schenkel des U-förmigen Silikonmikrorohres
10 an dem Träger
9 befestigt, während das andere Ende des Silikonmikrorohres
10 frei beweglich ist. Das Silikonmikrorohr
10 ist in einem Vakuumraum
11 gelagert. Der Vakuumraum
11 ist mit einer Abdeckung
12 versehen, wobei die Abdeckung
12 mit dem Träger
9 über ein Dichtmaterial
13 verbunden ist.
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Das zu untersuchende Medium strömt mit einer konstanten Geschwindigkeit in einen der Schenkel des Silikonmikrorohres 10 hinein, durchströmt das Silikonmikrorohr 10 und fließt aus dem zweiten Schenkel wieder heraus. Dabei wird das Silikonmikrorohr 10, welches resonanzfähig ist, durch eine externe Quelle zu einer Schwingung angeregt. Aufgrund der Bewegung des Mediums in dem Silikonmikrorohr 10 kommt es zu einer Schaukelbewegung des Silikonmikrorohres 10 infolge der Trägheit des Mediums. Diese Schaukelbewegung des Silikonmikrorohres 10 ist ein Resultat des Durchflusses des Medium, welcher mit einer Coriolis-Kraft korreliert. Dabei stellt sich eine Phasenverschiebung zwischen dem mit dem Zufluss verbundenen Schenkel des U-förmigen Silikonmikrorohres 10 im Unterschied zu dem mit dem Abfluss verbundenen Schenkel des U-förmigen Silikonmikrorohres 10 ein. Die Schenkel schwingen somit in unterschiedliche Richtungen. Um die Dichte des zu untersuchenden Mediums festzustellen, wird die Schwingungsfrequenz des Silikonmikrorohres 10 in einer vorgegebenen Zeiteinheit erfasst, wobei diese Schwingungsfrequenz ein Maß für die Dichte des Mediums darstellt.
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Die Probeaufnahme in Form der Vorrichtung 1 kann auf verschiedene Art und Weise am jeweiligen Messort angeordnet werden. 3 zeigt den Einbau der Vorrichtung 1 als Bypass 14 an einer Rohrleitung 15. Dabei sind eine Zuflussleitung 16 und eine Abflussleitung 17 mit je einer nicht weiter dargestellten Öffnung der Wand der Rohrleitung 15 verbunden, wodurch der Zufluss 2 und der Abfluss 3 der Vorrichtung 1 mit der Rohrleitung 15 kontaktiert sind. Die Vorrichtung 1 ist lediglich an die Wand der Rohrleitung 15 angeflanscht. Dabei wird ein Teil des zu untersuchenden Mediums aus der Rohrleitung 1 in die Vorrichtung 1 umgeleitet.
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Ein alternatives Beispiel für die Anordnung der Vorrichtung 1 ist in 4 dargestellt, wo ein Reaktor 18 mit einem flüssigen Medium 19 gefüllt ist. Über dem flüssigen Medium 19 ist eine Gasphase 20 des flüssigen Mediums 19 abgeschieden. Im Bereich dieser Gasphase 20 ist außen am Reaktor 18 die Vorrichtung 1 wieder als Bypasslösung angeflanscht. Die Vorrichtung 1 überwacht die Gasphase 18 des flüssigen Mediums hinsichtlich des Sauerstoffgehaltes und somit auf eine mögliche Explosionsgefährdung.
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Bei einer applikationsspezifischen Kalibration wird ein Anteil des Sauerstoffs in einem zu messenden Schutzgas erhöht. Die Kalibration wird im Elektronikteil des mikromechanischen Coriolis-Massendurchflussmessers 5 hinterlegt und die unteren/oberen Alarmgrenzen gesetzt, zu welchen auf eine Explosionsgefährdung geschlossen wird. Optional kann ein zweites Medium auf die Vorrichtung 1 aufgeschaltet werden, um die Kalibration zu überprüfen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6935010 B2 [0026]
- US 6499351 B1 [0026]
