DE102014115516A1

DE102014115516A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem flüssigen oder gasförmigen Medium sowie dessen Verwendung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102014115516A1
Application number: DE102014115516.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumgartner; Ralf Bernhard
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2016-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (9) zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem flüssigen oder gasförmigen Medium mittels eines optischen Sensors, insbesondere zur fotometrischen Erfassung eines Gehalts einer Substanz im Medium, umfassend: zumindest einen Sender (17.1) zum Senden von Sendelicht; zumindest einen dem Sender (17.1) zugeordneten Empfänger (17.2) zum Empfangen von Empfangslicht; einen mit dem Medium (15) füllbaren Messraum (22) wobei von dem Sender (17.1) aus ein optischer Messpfad (17.3) durch den Messraum (22) zum Empfänger (17.2) verläuft, wobei der Messraum (22) als zylinderförmiges Rohr (19) mit einer Rohrwand und einer Längsachse (A) ausgestaltet ist; und eine übergeordnete Einheit (11) zur Generierung eines Anregungssignals zur Erzeugung des Sendelichts, wobei das Sendelicht durch Wechselwirkung, insbesondere durch Absorption, in Abhängigkeit von der Messgröße entlang des Messpfads (17.3) in das Empfangslicht gewandelt wird, wobei der Empfänger (17.2) aus dem gewandelten Empfangslicht ein Empfängersignal erzeugt, und wobei die übergeordnete Einheit (11) aus dem Empfängersignal den Messwert bestimmt. Die Vorrichtung (9) ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrwand zumindest ein erstes Fenster (20) und ein zweites Fenster (21) angeordnet sind, wobei das erste und zweite Fenster (20, 21) für das Sendelicht und Empfangslicht im Wesentlichen transparent sind, wobei der optische Messpfad das erste Fenster (20) mit dem zweiten Fenster (21) verbindet, und wobei das erste und zweite Fenster (20, 21) parallel zur Längsachse (A) und zueinander planparallel angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung der Vorrichtung (9) und ein Verfahren zur Herstellung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem flüssigen oder gasförmigen Medium mittels eines optischen Sensors. Die Erfindung betrifft weiter dessen Verwendung in einem Analysator zur Analyse von zumindest einer Stoffkonzentration. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung.
Unter dem Begriff „Analysator“ soll im Sinne dieser Erfindung eine Messapparatur der Prozessautomatisierungstechnik gemeint sein, die mit einem nasschemischen Verfahren bestimmte Stoffgehalte, beispielsweise die Ionenkonzentration in einem zu analysierenden Medium, misst. Aus dem zu analysierenden Medium wird dazu eine Probe entnommen. Meist wird die Probe vollautomatisch durch den Analysator selbst, etwa durch Pumpen, Schläuche, Ventile etc., entnommen. Zur Bestimmung des zu bestimmenden Stoffgehalts einer bestimmten Spezies werden speziell für den jeweiligen Stoffgehalt entwickelte und im Analysatorgehäuse vorrätig gelagerte Reagenzien mit der zu vermessenden Probe vermischt. Eine dadurch verursachte Farbreaktion dieses Gemisches wird anschließend mittels eines geeigneten Messgeräts, beispielsweise mittels eines Photometers, vermessen. Genauer gesagt werden Probe und Reagenzien in einer Küvette vermischt und mit verschiedenen Wellenlängen optisch im Durchlichtverfahren vermessen. Anhand der Lichtabsorption und eines hinterlegten Kalibriermodells wird so empfängerseitig der Messwert ermittelt.
Für die Küvette, durch die photometrisch gemessen werden soll, wird meist eine zylindrische Form gewählt. Eine zylindrische Küvette ist vergleichsweise günstig in der Herstellung, da Glasrohre als Ausgangsmaterial verwendet werden können. Glasrohre können darüber hinaus druckstabil sein. Für zylindrische Glaskörper existiert eine Vielzahl an einfachen und gängigen Abdichtungsmöglichkeiten wie runde Dichtungen, etwa O-Ringe.
Nachteilig an einer zylindrischen Küvettenform ist, dass die mit Flüssigkeit gefüllte Küvette als Zylinderlinse wirkt. Dieser negative Effekt ist schwer zu kompensieren, da die Stärke der Linse von der Brechzahl des Inhalts abhängt. Gerade bei der Verwendung des Analysators bei verschiedenen Temperaturen, etwa bei Zimmertemperatur und bei einer Temperatur größer 100 °C, ergeben sich temperaturbedingte Geometrieänderungen des Analysators und der Küvette, die sich kaum kompensieren lassen. Durch die zylindrische Form ist die Schichtdicke des zu messenden Mediums über den durchstrahlten Querschnitt nicht konstant, d.h. es muss exakt darauf geachtet werden, dass idealerweise durch das Zentrum eingestrahlt wird, was gerade bei den angesprochenen Temperaturschwankungen kaum zu erreichen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu fertigenden Küvette vorzuschlagen, die auch bei schwierigen Bedingungen wie tiefen/hohen Temperaturen eine ausreichende optische Qualität bereitstellt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, umfassend: zumindest einen Sender zum Senden von Sendelicht; zumindest einen dem Sender zugeordneten Empfänger zum Empfangen von Empfangslicht; einen mit dem Medium füllbaren Messraum, wobei von dem Sender aus ein optischer Messpfad durch den Messraum zum Empfänger verläuft, wobei der Messraum als zylinderförmiges Rohr mit einer Rohrwand und einer Längsachse ausgestaltet ist; und eine übergeordnete Einheit zur Generierung eines Anregungssignals zur Erzeugung des Sendelichts, wobei das Sendelicht durch Wechselwirkung, insbesondere durch Absorption, in Abhängigkeit von der Messgröße entlang des Messpfads in das Empfangslicht gewandelt wird, wobei der Empfänger aus dem gewandelten Empfangslicht ein Empfängersignal erzeugt, und wobei die übergeordnete Einheit aus dem Empfängersignal den Messwert bestimmt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrwand zumindest ein erstes Fenster und ein zweites Fenster angeordnet sind, wobei das erste und zweite Fenster für das Sendelicht und Empfangslicht im Wesentlichen transparent sind, wobei der optische Messpfad das erste Fenster mit dem zweiten Fenster verbindet, und wobei das erste und zweite Fenster parallel zur Längsachse und zueinander planparallel angeordnet sind.
Somit können die Vorteile der einfachen Herstellung von zylindrischen Formen genutzt werden. Durch die Anordnung und Geometrie des ersten und zweiten Fensters wirkt der Messraum nicht mehr als Zylinderlinse. Die Messung wird somit genauer, widerstandsfähiger gegen Temperaturschwankungen und weniger störanfällig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohr als Glasrohr ausgestaltet. Ein Glasrohr ist üblicherweise transparent für die verwendeten Wellenlängen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Rohr druckstabil ausgestaltet. Druckstabilität ist notwendig, damit der Inhalt des Messraums 22 in geschlossenem Zustand über seinen Siedepunkt hinaus erhitzt werden kann.
Bevorzug ist das Rohr als Rohr mit einer Einbuchtung ausgestaltet, wobei in der Einbuchtung ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet ist. Somit kann die Temperatur des zu messenden Mediums platzsparend bestimmt werden. Dies ist wichtig, da manche Reaktionen im Messraum bei bekannter und/oder konstanter Temperatur ablaufen müssen. Der Temperatursensor dient zur Messung der Temperatur und der entsprechenden Regelung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Messraum als chemischer Reaktorraum ausgestaltet.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung einer Vorrichtung wie oben stehend beschrieben in einem Analysator zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik, insbesondere zur Analyse von zumindest einer Stoffkonzentration.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fensters in einer Rohrwand eines Rohrs in einer Vorrichtung wie oben stehend beschrieben, umfassend die Schritte: Anbringen eines inneren Stempels ins Innere des Rohres; Erwärmen des Rohrs bis zumindest auf die Glasübergangstemperatur; und Drücken eines äußeren Stempels auf den inneren Stempel, wobei der äußere Stempel die Form des Fensters hat.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, und
2a/b eine Küvette der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dreidimensionalen Ansicht und im Querschnitt.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet Anwendung in einem Analysator 9 der Prozessautomatisierungstechnik, der zunächst beschrieben werden soll.
Gemessen werden soll beispielsweise die direkte Absorption eines Stoffs oder die Intensität einer Färbung, die dadurch erzeugt wird, dass der zu bestimmende Stoff mit Reagenzien in einen Farbkomplex umgewandelt wird. Weitere mögliche Messgrößen, die nach einem ähnlichen Prinzip arbeiten sind Trübung, Fluoreszenz usw. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die CSB-Messung (chemischer Sauerstoffbedarf; engl. chemical oxygen demand, COD), wobei CSB ein Summenparameter ist, das heißt der Messwert kommt durch die Summe der Inhaltsstoffe zustande und kann nicht einem einzelnen Inhaltsstoff zugeordnet werden.
Im Folgenden soll der erfindungsgemäße Gedanke ohne Beschränkung der Allgemeinheit an einem Analysator 9 zur Messung einer Ionenkonzentration beschrieben werden. Konkret misst der Analysator 9 die Ammoniumkonzentration. Als weitere zu messende Ionen kommen etwa Phosphat, Nitrat etc. in Betracht.
Aus dem zu analysierenden Medium 15, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, wird dazu eine Probe 13 entnommen. Meist wird die Probe 13 vollautomatisch durch den Analysator selbst, etwa durch Subsysteme 14 wie Pumpen, Schläuche, Ventile etc. entnommen. Zur Bestimmung des zu bestimmenden Stoffgehalts einer bestimmten Spezies werden speziell für den jeweiligen Stoffgehalt entwickelte und im Analysatorgehäuse vorrätig gelagerte Reagenzien 16 mit der zu vermessenden Probe 13 vermischt. Dies ist in 1 symbolisch dargestellt, in Realität werden verschiedene Behältnisse mit verschieden Reagenzien bereitgestellt und über die angesprochenen Pumpen, Schläuche, Ventile etc. entnommen und gegebenenfalls vermischt. Auch können für jeden Vorgang (Entnehmen der Probe, Vermischen von Reagenzien, etc.) separate Pumpen, Schläuche, Ventile verwendet werden.
Eine dadurch verursachte Farbreaktion dieses Gemisches wird anschließend mittels eines geeigneten Messgeräts, beispielsweise mittels eines Photometers 17, vermessen. Dazu wird beispielsweise die Probe 13 und die Reagenzien 16 in einer Küvette 18 vermischt und mit zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen optisch im Durchlichtverfahren vermessen. Dazu wird Licht von zumindest zwei Wellenlängen mittels eines Senders 17.1 durch die Probe 13 gesendet. Dem Sender 17.1 zugeordnet ist ein Empfänger 17.2 zum Empfangen des Durchlichts, wobei vom Sender 17.1 ein optischer Messpfad 17.3 zum Empfänger 17.2 verläuft (in 1 gestrichelt angedeutet). Anhand der Lichtabsorption und einer hinterlegten Kalibrierfunktion wird so empfängerseitig der Messwert erzeugt. Der Sender 17.1 umfasst beispielsweise eine oder mehrere LEDs, d.h. eine LED pro Wellenlänge oder eine entsprechende Lichtquelle mit breitbandiger Anregung. Alternativ wird eine breitbandige Lichtquelle mit entsprechendem vorgesetztem Filter verwendet. Typische Wellenlängen gehen vom infraroten bis hin zum ultravioletten, also von etwa 1100 nm bis 200 nm. Der Empfänger 17.2 kann etwa eine oder mehrere Fotodioden umfassen.
Der Analysator 9 umfasst weiter einen Transmitter 10 mit einem Mikrocontroller 11 samt Speicher 12. Über den Transmitter 10 kann der Analysator 9 an einen Feldbus angeschlossen werden. Weiter wird der Analysator 9 über den Transmitter 10 gesteuert. So wird beispielsweise die Entnahme einer Probe 13 aus dem Medium 15 durch den Mikrocontroller 11 durch entsprechende Steuerbefehle an die Subsysteme 14 veranlasst. Auch wird die Messung durch den Photometer 17 mittels des Mikrocontrollers gesteuert und geregelt.
2 zeigt die Küvette 18 vergrößert in dreidimensionaler Ansicht bzw. im Querschnitt. Die Küvette 18 ist als zylinderförmiges Rohr 19 mit einer Rohrwand und einer Längsachse A ausgestaltet. Bevorzugt ist das Rohr 19 als Glasrohr ausgestaltet. Hierbei sind prinzipiell sind alle Gläser verwendbar, die sich thermisch bearbeiten und damit verformen lassen (siehe unten). In der Küvette 18 befindet sich der Messraum 22, der mit dem zu messenden Medium 15 gefüllt ist. Der Messraum 22 ist wie oben beschrieben als chemischer Reaktor ausgestaltet. Von dem Sender 17.1 aus verläuft ein optischer Messpfad 17.3 (siehe auch 1) durch den Messraum 22 zum Empfänger 17. Das Sendelicht wird durch Wechselwirkung, wie bereits erwähnt etwa durch Absorption, in Abhängigkeit von der Messgröße entlang des Messpfads 17.3 in das Empfangslicht gewandelt.
Am Rohr 19, genauer gesagt in der Rohrwand ist ein erstes Fenster 20 und ein zweites Fenster 21 angeordnet. Das erste und zweite Fenster 20, 21 sind für das Sendelicht und Empfangslicht im Wesentlichen transparent sind und der optische Messpfad 17.3 verbindet das erste Fenster 20 mit dem zweiten Fenster 21.
Das erste Fenster 20 und zweite Fenster 21 sind parallel zur Längsachse A der Küvette 18 und zueinander planparallel angeordnet sind. Das Rohr 19 wirkt somit nicht mehr als Zylinderlinse und der Strahlengang muss nicht mehr exakt durch die Mitte gehen. Dadurch wir die Messung genauer und die Justage einfacher.
Die Größe eines Fensters 20/21 in Längsachse A ist beliebig. Die Größe eines Fensters 20/21 senkrecht zur Längsachse A ist sinnvollerweise kleiner gleich dem Rohrdurchmesser.
Die Küvette 18 umfasst weiter eine Einbuchtung 23. In der Einbuchtung 23 ist etwa ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Mediums 15 im Messraum 22 angeordnet. Dies ist wichtig, da manche Reaktionen im Messraum 22 bei bekannter und/oder konstanter Temperatur ablaufen müssen. Der Temperatursensor dient zur Messung der Temperatur und der entsprechenden Regelung.
Das Rohr 19 ist druckstabil ausgestaltet. Druckstabilität ist notwendig, damit der Inhalt des Messraums 22 in geschlossenem Zustand über seinen Siedepunkt hinaus erhitzt werden kann.
Ein Fenster 20/21 kann etwa wie folgt hergestellt werden: Anbringen eines inneren Stempels ins Innere des Rohres 19, Erwärmen des Rohrs 19 bis zumindest auf die Glasübergangstemperatur, und Drücken eines äußeren Stempels auf den inneren Stempel, wobei der äußere Stempel die Form des Fensters 20/21 hat.
Bezugszeichenliste

9: Analysator
10: Transmitter
11: Mikrocontroller
12: Speicher
13: Probe
14: Subsysteme von 9
15: Medium
16: Reagenzien
17: Photometer
17.1: Sender
17.2: Empfänger
17.3: Optischer Messpfad
18: Küvette
19: Rohr
20: Fenster
21: Fenster
22: Messraum
23: Einbuchtung
A: Längsachse

Claims

Vorrichtung (9) zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem flüssigen oder gasförmigen Medium mittels eines optischen Sensors, insbesondere zur fotometrischen Erfassung eines Gehalts einer Substanz im Medium, umfassend: – zumindest einen Sender (17.1) zum Senden von Sendelicht, – zumindest einen dem Sender (17.1) zugeordneten Empfänger (17.2) zum Empfangen von Empfangslicht, – einen mit dem Medium (15) füllbaren Messraum (22), wobei von dem Sender (17.1) aus ein optischer Messpfad (17.3) durch den Messraum (22) zum Empfänger (17.2) verläuft, wobei der Messraum (22) als zylinderförmiges Rohr (19) mit einer Rohrwand und einer Längsachse (A) ausgestaltet ist, und – eine übergeordnete Einheit (11) zur Generierung eines Anregungssignals zur Erzeugung des Sendelichts, wobei das Sendelicht durch Wechselwirkung, insbesondere durch Absorption, in Abhängigkeit von der Messgröße entlang des Messpfads (17.3) in das Empfangslicht gewandelt wird, wobei der Empfänger (17.2) aus dem gewandelten Empfangslicht ein Empfängersignal erzeugt, und wobei die übergeordnete Einheit (11) aus dem Empfängersignal den Messwert bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrwand zumindest ein erstes Fenster (20) und ein zweites Fenster (21) angeordnet sind, wobei das erste und zweite Fenster (20, 21) für das Sendelicht und Empfangslicht im Wesentlichen transparent sind, wobei der optische Messpfad das erste Fenster (20) mit dem zweiten Fenster (21) verbindet, und wobei das erste und zweite Fenster (20, 21) parallel zur Längsachse (A) und zueinander planparallel angeordnet sind.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1, wobei das Rohr (19) als Glasrohr ausgestaltet ist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rohr (19) druckstabil ausgestaltet ist.
Vorrichtung (9) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Rohr als Rohr (19) mit einer Einbuchtung (23) ausgestaltet ist, wobei in der Einbuchtung ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet ist.
Vorrichtung (9) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Messraum (22) als chemischer Reaktorraum ausgestaltet ist.
Verwendung zumindest einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Analysator (9) zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik, insbesondere zur Analyse von zumindest einer Stoffkonzentration.
Verfahren zur Herstellung eines Fensters (20, 21) in einer Rohrwand eines Rohrs (19) in einer Vorrichtung (9) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte: – Anbringen eines inneren Stempels ins Innere des Rohres (19), – Erwärmen des Rohrs (19) bis zumindest auf die Glasübergangstemperatur, und – Drücken eines äußeren Stempels auf den inneren Stempel, wobei der äußere Stempel die Form des Fensters hat.