DE102015122292A1 - Feldgerät zur Bestimmung einer Prozessgröße eines Mediums - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines flüssigen Mediums (9) in einem Behältnis (2), umfassend mindestens einen Sensorkopf (3) mit einem ersten Sensor (4) zur Erfassung der mindestens einen Prozessgröße, wobei der mindestens eine Sensorkopf (3) in dem Behältnis (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (3) einen zweiten Sensor aufweist, der in der Lage ist mindestens einen Abstand (10, 11) zwischen dem Sensorkopf (3) und einem Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu ermitteln.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät der Automatisierungstechnik zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis.
  • Sensoren aus dem Stand der Technik werden in Rohrleitungssystemen, Behältnissen und Armaturen eingebaut. Durch parasitäre Wandeffekte kommt es insbesondere bei Leitfähigkeitssensoren zu Messwertverfälschungen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät der Automatisierungstechnik und ein Verfahren anzugeben, die in der Lage sind eine Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis möglichst genau zu bestimmen.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Feldgerät der Automatisierungstechnik zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines flüssigen Mediums in einem Behältnis, umfassend mindestens einen Sensorkopf mit einem ersten Sensor zur Erfassung der mindestens einen Prozessgröße, wobei der mindestens eine Sensorkopf in dem Behältnis angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist der Sensorkopf einen zweiten Sensor auf, der in der Lage ist mindestens einen Abstand zwischen dem Sensorkopf und einem Behältnis-Boden und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände zu ermitteln.
  • Aus dem mindestens einen Abstand lässt sich ein sogenannter Korrekturfaktor herleiten, mit dem der Messwert korrigiert werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der zweite Sensor mindestens einen Schallsensor, der in der Lage ist Schallwellen auszusenden und nach einer Laufzeit eine Reflektion der Schallwellen an dem Behältnis-Boden und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände zu empfangen, wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund der Laufzeit der Schallwellen den Abstand des Sensors zum Behältnis-Boden und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände zu bestimmen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante ist der Sensorkopf außerhalb des Mediums angeordnet, wobei der erste Sensor ein Füllstandsensor ist, und wobei die mindestens eine Prozessgröße der Füllstand des Mediums in dem Behältnis ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Schallsensor an Gas ankoppelbar, und wobei die Auswerteeinheit in der Lage ist eine plötzliche Erhöhung der Schallgeschwindigkeit als Schaumbildung auf dem flüssigen Medium zu erkennen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensorkopf innerhalb des Mediums angeordnet, wobei der erste Sensor ein Durchflusssensor oder Leitfähigkeitssensor ist, wobei die mindestens eine Prozessgröße der Durchfluss oder die Leitfähigkeit des Mediums ist.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist der mindestens eine Schallsensor an das flüssige Medium ankoppelbar, und wobei die Auswerteeinheit in der Lage ist, eine Dämpfung der Schallwellen und/oder eine plötzliche Reduzierung der Schallgeschwindigkeit als Gasblasenbildung in dem flüssigen Medium zu erkennen.
  • Gemäß einer günstigen Variante weist der Sensorkopf einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur innerhalb des Behältnisses auf, um eine Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in dem Behältnis zu kompensieren.
  • Gemäß einer günstigen Ausführungsform umfasst der zweite Sensor mindestens einen Tastkopf, der in der Lage ist auszufahren und durch mechanisches Abtasten mindestens einen Abstand zwischen dem Sensorkopf und einem Behältnis-Boden und/der mindestens einer der Behältnis-Wände zu bestimmen.
  • Gemäß einer günstigen Ausgestaltung umfasst der zweite Sensor mindestens einen Optik-Sensor, der in der Lage ist optische Wellen auszusenden und nach einer Laufzeit eine Reflektion der optischen Wellen an dem Behältnis-Boden und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände zu empfangen, wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund der Laufzeit der optischen Wellen mindestens einen Abstand zwischen dem Sensorkopf und dem Behältnis-Boden und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände zu bestimmen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der zweite Sensor einen Oszillator zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes und eine Spule zum Aussenden des magnetischen Wechselfeldes auf, so dass Wirbelströme in elektrischen und/oder magnetischen Behältnis-Wänden bzw. Behältnis-Boden erzeugt werden, wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund der Stärke der Wirbelströme den Abstand des Sensorkopfes zum Behältnis-Boden und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände zu bestimmen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante weist der zweite Sensor eine elektrische Kapazität zum Erzeugen von elektrischen Wechselfeldern auf, so dass elektrische und/oder magnetische Behältnis-Wände bzw. Behältnis-Boden die Kapazität ändern, wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund einer Änderung der Kapazität den Abstand des Sensorkopfes zum Behältnis-Boden und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände zu bestimmen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren gelöst. Das Verfahren ist ein Verfahren zum Ausrichten eines erfindungsmäßen Feldgeräts mit mindestens zwei Schallsensoren, umfassend die Schritte Bewegen des Sensorkopfes bis beide Schallsensoren ein Schallwellensignal mit ungefähr gleichen Amplituden und eine minimale und gleich große Laufzeit der Schallwellen anzeigen.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: einen Längsschnitt eines Sensorarms eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik aus dem Stand der Technik,
  • 2: einen Längsschnitt eines Sensorarms eines erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik,
  • 3: einen Längsschnitt eines Sensorarms eines erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik mit den Abständen zum Behälter-Boden und den Behälter-Wänden,
  • 4: eine Grafik der Ultraschallsignale als Funktion der Zeit,
  • 5: eine Draufsicht auf einen Sensorkopf in einem Rohr, und
  • 6: einen Längsschnitt eines Sensorarms eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, bei dem der Sensorkopf drei Tastköpfe aufweist.
  • 1 zeigt einen Längsschnitt eines Sensorarms 12 eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik aus dem Stand der Technik, wobei an dem Sensorarm 12 ein Sensorkopf 3 angeordnet ist. Der Sensorarm 12 ist innerhalb eines Behältnisses 2 angeordnet. Innerhalb des Behältnisses 2 ist ein Medium 9 angeordnet, wobei der Sensorkopf 3 in dem Medium 9 eingetaucht ist. Der Sensorkopf 3 trägt einen Sensor 4 zur Erfassung von Prozessgrößen des Mediums 9. Das Behältnis 2 weist Behältnis-Wände 6 und einen Behältnis-Boden 5 auf, die einen Einfluss auf den Sensor 4 ausüben können.
  • 2 zeigt einen Längsschnitt eines Sensorarms 12 eines erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik. Der erfindungsgemäße Sensorkopf 4 weist drei Ultraschallsensoren 7 auf. Ein Ultraschallsensor 7 ist in Richtung des Behältnis-Bodens 5 gerichtet und zwei Ultraschallsensoren 7 sind in Richtung der Behältnis-Wände 6 gerichtet. Die Ultraschallsensoren 7 senden Ultraschallwellen 8 aus und Empfangen das Echo der Ultraschallwellen 8 an dem Behältnis-Boden 5 bzw. an den Behältnis-Wänden 6. Eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt) bestimmt anhand der Laufzeit der Ultraschallwellen die Abstände 10, 11 des Sensorkopfes 4 zu dem Behältnis-Boden 5 bzw. den Behältnis-Wänden 6 (siehe 3).
  • 4 zeigt eine Grafik der Ultraschallsignale 8, die von einer der Ultraschallsensoren 7 gesendet und empfangen werden als Funktion der Zeit t. Ultraschallsignale erzeugen über Piezo-Aktoren kurze Tonimpulse. Anschließend wird ausgewertet, wie lange das Echo benötigt um zum Ultraschallsensor 7 zurückzukehren. Es kann ein separater Empfänger angebracht sein oder die Ultraschallsensoren 7 fungiert als Sender und Empfänger der Schallwellen.
  • Der Abstand 10, 11 zum Behältnis-Boden 5 bzw. zu den Behältnis-Wänden 6 berechnet sich wie folgt aus der Laufzeit der Schallwellen: Abstand10,11 = c·tSignal/2 mit c = 343 ms (bei 20° an Luft)
  • Die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit an Luft kann durch einen im Sensor integrierten Temperatursensor kompensiert werden.
  • Da sich die Schallgeschwindigkeiten in Gas (z.B. Luft) und flüssigem Medium (z.B. Wasser) stark unterscheiden müssen die Ultraschallsensoren für die jeweilige Ankopplung ausgewählt/angepasst sein. Liegt der jeweils andere Aggregatzustand an den Ultraschallsensoren 7 an (Gas an Flüssigkeitssensoren, Flüssigkeit an Gassensoren) zeigen die Ultraschallsensoren 7 eine starke Einkopplungsdämpfung.
  • Diesen Effekt kann man nutzen um Einmischungen von z.B. Gas im flüssigen Medium zu erkennen. Ist die Einkopplungsdämpfung der Schallwellen hoch und die Schallgeschwindigkeit plötzlich reduziert, so ist es wahrscheinlich, dass sich Gasblasen vor dem Ultraschallsensor 7 und damit mit hoher Wahrscheinlichkeit auch vor dem Leitfähigkeitssensor 4 abgesetzt haben.
  • Zusätzlich kann der Abstand 10 zwischen dem Sensorkopf 3 und dem Behältnis-Boden 5 aber auch mit Hilfe der Ultraschallsensoren 7 auf Plausibilität geprüft werden. Je nach Genauigkeit der Abstandsmessung (Kenntnis des Mediums, Temperaturkompensation etc.) kann die Abstandsmessung mit einer bestimmten Unschärfe für die Überprüfung des Abstands 10 zwischen dem Sensorkopf 3 und dem Behältnis-Boden 5 herangezogen werden.
  • Für bestimme Anwendungen kann die Anströmrichtung des Mediums in Bezug auf die Ausrichtung des Sensorkopfes 3 wichtig sein. Da der Sensor eingeschraubt wird und der Sensorkopf 3 in der Regel nicht ausgerichtet zum Sensorelement montiert ist, lässt sich von außen die Richtung des Sensorkopfes 3 in Bezug auf die Anströmrichtung nicht feststellen. Die Ausrichtung wird laut Stand der Technik mit Hilfe einer angebrachten Markierung auf dem Sensorkopf 3 eingestellt.
  • Erfindungsgemäß können die seitlich angebrachten Ultraschallsensoren 7 die Ausrichtung (z.B. in einer Rohrleitung) auch messtechnisch bestimmen. Vorteilhaft sind dabei mehrere verteilt angeordnete seitliche Ultraschallsensoren 7.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Sensorkopf 3 in einem Rohr 14 mit einer Flussrichtung (Pfeil) des Mediums 9. Der Sensorkopf 3 ist in dieser Anordnung in Flussrichtung ausgerichtet, wenn die beiden gegenüberliegenden Ultraschallsensoren 7 Signale mit ungefähr gleichen Amplituden und beide eine minimale und gleich große Laufzeit der Schallwellen anzeigen.
  • Durch Drehung des Sensorkopfes können die Signal entsprechend verändert werden, die Signale verglichen und somit die Minima und Maxima ermittelt werden.
  • Existiert eine Einengung 15 oder Unstetigkeit im Rohr 14 (z.B. Anschlüsse/Muffen etc.), so kann die absolute Richtung jedoch durch den Vergleich der jeweils minimalen Signale den Längssensors (jeweils um 180 ° gedreht) ermittelt werden.
  • 6 zeigt einen Längsschnitt eines Sensorarms 12 eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, bei dem der Sensorkopf 3 drei Tastköpfe 13 aufweist, die in der Lage sind auszufahren und durch mechanisches Abtasten die Abstände 10, 11 zwischen dem Sensorkopf 3 und einem Behältnis-Boden 5 und der Behältnis-Wände 6 zu bestimmen.
  • Ferner können die Abstände 10, 11 zwischen dem Sensorkopf 3 und einem Behältnis-Boden 5 und der Behältnis-Wände 6 optisch ermittelt werden. Es existieren verschiedene optische Verfahren zur Abstandsmessung. Die am weitesten verbreiteten sind:
    • • Laufzeitmessung (1 m–km) kurze Reaktionszeit, kein Aperturwinkel
    • • Phasenmodulation (max. 200 m) niedrige Fabrikationskosten
    • • Interferometrie (10 nm–20 m) höhere Kosten, hohe Auflösung
    • • Triangulation (1 µm–100 m) oberflächenabhängig, kostengünstig, robust
  • Im Hinblick auf Größe und Produktionskosten käme am ehesten das Prinzip der Lasertriangulation infrage. Dabei wird ein Laserstrahl von einer Oberfläche reflektiert und über eine Optik der Einfallswinkel auf einer Empfängereinheit ermittelt.
  • Des Weiteren können die Abstände 10, 11 zwischen dem Sensorkopf 3 und einem Behältnis-Boden 5 und der Behältnis-Wände 6 induktiv oder kapazitiv ermittelt werden.
  • Bei dem induktiven Auswerteverfahren wird mit einem Oszillator und einer Spule ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Sind Behältnis-Boden 5 oder mindestens einer der Behältnis-Wände elektrisch- oder magnetisch leitfähig, werden in dem Behältnis-Boden 5 bzw. mindestens einer der Behältnis-Wände 6 Wirbelströme induziert. Dadurch ändert sich die Impedanz der Spule, was sich in einer geänderten Stromaufnahme des Oszillators auswirkt. Durch eine quantitative Auswertung der Stromänderung kann eine Abstandsmessung realisiert werden.
  • Das kapazitive Verfahren arbeitet nach dem Prinzip eines Plattenkondensators. Dabei bildet eine metallische Oberfläche des Sensorkopfes 3 eine Elektrode dieses Kondensators. Die entsprechende Gegenelektrode kann mit einer Referenzelektrode oder dem Gehäuse des Sensorkopfes 3 realisiert werden. Durch das Elektrodenpaar wird mit weiteren Zubehörteilen ein Oszillator gebildet, welcher an Luft (als Dielektrikum) mit einer bestimmten Frequenz schwingt. Befindet sich der Behältnis-Boden 5 oder mindestens einer der Behältnis-Wände 6 in die Nähe, so wirken diese als metallische oder nicht metallische Leiter als anderes Dielektrikum in der Nähe des elektrischen Feldes und verändern die Kapazität des Kondensators. Dadurch wird der Schwingkreis verstimmt. Mit Kenntnis des zu detektierenden Materials und der Verstimmung des Oszillators kann der absolute Abstand des Sensorkopfes 3 zum Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) quantitativ ermittelt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Feldgerät
    2
    Behältnis
    3
    Sensorkopf
    4
    Sensor
    5
    Behältnis-Boden
    6
    Behältnis-Wand
    7
    Schallsensor
    8
    Schallwellen
    9
    Medium
    10
    Abstand zwischen Sensorkopf und Behältnis-Boden
    11
    Abstand zwischen Sensorkopf und Behältnis-Wand
    12
    Sensorarm
    13
    Tastkopf
    14
    Rohr

Claims (12)

  1. Feldgerät der Automatisierungstechnik zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines flüssigen Mediums (9) in einem Behältnis (2), umfassend mindestens einen Sensorkopf (3) mit einem ersten Sensor (4) zur Erfassung der mindestens einen Prozessgröße, wobei der mindestens eine Sensorkopf (3) in dem Behältnis (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (3) einen zweiten Sensor aufweist, der in der Lage ist mindestens einen Abstand (10, 11) zwischen dem Sensorkopf (3) und einem Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu ermitteln.
  2. Feldgerät nach Anspruch 1, wobei der zweite Sensor mindestens einen Schallsensor (7) umfasst, der in der Lage ist Schallwellen (8) auszusenden und nach einer Laufzeit eine Reflektion der Schallwellen (8) an dem Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu empfangen, und wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund der Laufzeit der Schallwellen (8) den Abstand (10, 11) des Sensors (4) zum Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu bestimmen.
  3. Feldgerät nach Anspruch 2, wobei der Sensorkopf (3) außerhalb des Mediums (9) angeordnet ist, wobei der erste Sensor (4) ein Füllstandsensor ist, und wobei die mindestens eine Prozessgröße der Füllstand des Mediums (9) in dem Behältnis (2) ist.
  4. Feldgerät nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Schallsensor (7) an Gas ankoppelbar ist, und wobei die Auswerteeinheit in der Lage ist eine plötzliche Erhöhung der Schallgeschwindigkeit als Schaumbildung auf dem flüssigen Medium (9) zu erkennen.
  5. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensorkopf (3) innerhalb des Mediums (9) angeordnet ist, wobei der erste Sensor (4) ein Durchflusssensor oder Leitfähigkeitssensor ist, wobei die mindestens eine Prozessgröße der Durchfluss oder die Leitfähigkeit des Mediums (9) ist.
  6. Feldgerät nach Anspruch 5, wobei der mindestens eine Schallsensor (7) an das flüssige Medium (9) ankoppelbar ist, und wobei die Auswerteeinheit in der Lage ist, eine Dämpfung der Schallwellen (8) und/oder eine plötzliche Reduzierung der Schallgeschwindigkeit als Gasblasenbildung in dem flüssigen Medium (9) zu erkennen.
  7. Feldgerät nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Sensorkopf (3) ein Temperatursensor zum Messen der Temperatur innerhalb des Behältnisses aufweist, um eine Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in dem Behältnis zu kompensieren.
  8. Feldgerät nach Anspruch 1, wobei der zweite Sensor mindestens einen Tastkopf (13) umfasst, der in der Lage ist auszufahren und durch mechanisches Abtasten mindestens einen Abstand (10, 11) zwischen dem Sensorkopf (3) und einem Behältnis-Boden (5) und/der mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu bestimmen.
  9. Feldgerät nach Anspruch 1, wobei der zweite Sensor mindestens einen Optik-Sensor umfasst, der in der Lage ist optische Wellen auszusenden und nach einer Laufzeit eine Reflektion der optischen Wellen an dem Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu empfangen, und wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund der Laufzeit der optischen Wellen mindestens einen Abstand (10, 11) zwischen dem Sensorkopf (3) und dem Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu bestimmen.
  10. Feldgerät nach Anspruch 1, wobei der zweite Sensor einen Oszillator zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes und eine Spule zum Aussenden des magnetischen Wechselfeldes aufweist, so dass Wirbelströme in elektrischen und/oder magnetischen Behältnis-Wänden bzw. Behältnis-Boden erzeugt werden, und wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund der Stärke der Wirbelströme den Abstand (10, 11) des Sensorkopfes (3) zum Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu bestimmen.
  11. Feldgerät nach Anspruch 1, wobei der zweite Sensor eine elektrische Kapazität zum Erzeugen von elektrischen Wechselfeldern aufweist, so dass elektrische und/oder magnetische Behältnis-Wände bzw. Behältnis-Boden die Kapazität ändern, und wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist aufgrund einer Änderung der Kapazität den Abstand des Sensorkopfes (3) zum Behältnis-Boden (5) und/oder mindestens einer der Behältnis-Wände (6) zu bestimmen.
  12. Verfahren zum Ausrichten eines Feldgeräts nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, mit mindestens zwei Schallsensoren (7), umfassend die Schritte Bewegen des Sensorkopfes (3) bis beide Schallsensoren (7) ein Schallwellensignal mit ungefähr gleichen Amplituden und eine minimale und gleich große Laufzeit der Schallwellen anzeigen.
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