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Die Erfindung betrifft eine Wechselarmatur für Eintauch-, Durchfluss- und Anbau-Messsysteme in der analytischen Prozesstechnik zur Messung zumindest einer Messgröße eines Messmediums in einem Behältnis.
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Wechselarmaturen werden von der Firmengruppe Endress+Hauser in großer Variantenvielfalt angeboten und vertrieben, beispielsweise unter der Bezeichnung „Cleanfit H CPA875“.
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Wechselarmaturen sind in der Analysemesstechnik und Prozessautomatisierung weit verbreitet. Sie dienen dazu, Sonden ohne Prozessunterbrechung aus dem Prozess, und damit dem Messmedium, zu entnehmen und anschließend wieder in den Prozess einzuführen. Die Sonden werden in einem Tauchrohr befestigt und mittels eines Antriebs manuell oder automatisch, beispielsweise pneumatisch, axial zwischen einer Prozessstellung (Messung) und einer Servicestellung (Wartung, Kalibrierung, Spülen, Sondentausch etc.) verfahren. Diese Vorgänge verlaufen innerhalb eines bestimmten Zeittakts oder in Abhängigkeit von sonstigen bestimmbaren oder gemessenen Parametern.
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Sonden im Sinne dieser Erfindung umfassen Sonden mit zumindest einer Aufnahme für zumindest einen Sensor zur Messung einer oder mehrerer physikalischer oder chemischer Prozessgrößen.
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Der Einsatzbereich von Wechselarmaturen zur Messung physikalischer oder chemischer Prozessgrößen eines Messmediums, z.B. eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in der Prozesstechnik ist vielfältig. Für die Bestimmung der Prozessgrößen werden Sensoren verwendet, wobei es sich bei den Sensoren beispielsweise um pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, optische oder elektrochemische Sensoren zur Bestimmung einer Konzentration einer in dem zu überwachenden Messmedium enthaltenen Substanz, z.B. O2, CO2, bestimmte Ionenarten, organische Verbindungen, ö.ä. handelt.
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Werden Wechselarmaturen zur Aufnahme des Sensors zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße verwendet, kann der Sensor in der Servicestellung überprüft, kalibriert, gereinigt und/oder ausgetauscht werden, wobei sich der Sensor dabei im Gehäuseinnenraum der Wechselarmatur, in der so genannten Servicekammer, befindet. Damit das Messmedium durch ein Kalibrierungs-, Spül- oder Reinigungsmedium nicht verunreinigt wird, ist in Servicestellung die Servicekammer zum Behältnis, in dem sich das Messmedium befindet, so abgedichtet, dass kein Austausch von Messmedium / Kalibrierungs-, Spül- oder Reinigungsmedium stattfinden kann. Üblicherweise befindet sich dazu am medienseitigen Ende des Gehäuses der Wechselarmatur eine Dichtung, die im Zusammenspiel mit dem Endbereich des Tauchrohrs einen Austausch von Messmedium / Kalibrierungs-, Spül- oder Reinigungsmedium verhindert. Dieser Dichtsitz befindet sich auf dem Tauchrohr oder im Gehäuse, etwa der Servicekammer.
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Im Allgemeinen soll Kalibrierungs-, Spül- oder Reinigungsmedium als „Medium“ bezeichnet werden. Dies schließt sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas ein.
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Wie erwähnt werden verschieden Medien zur Kalibrierung, Spülung oder Reinigung benötigt. Diese werden aus verschiedenen Behältern in einem gemeinsamen Zulauf zur Wechselarmatur geführt. Dies erfolgt durch einen so genannten Spülblock. Darin werden die einzelnen Medien über Rückschlagventile vom gemeinsamen Zulauf zur Armatur abgetrennt. Aus dem Stand der Technik ist ein Spülblock bekannt, der Rückschlagventile umfasst, die sich auf der Seite des gemeinsamen Zulaufs befinden. Dabei befinden sich die Rückschlagventile in den Medien, was zu Verschleiß oder gar Zerstörung des Ventils führen kann, und somit der Spülblock ausgetauscht werden muss. Weiter ist es möglich, dass das fließende Medium über das Venturi-Prinzip einen Unterdruck erzeugt und dadurch „unbeteiligte“ Rückschlagventile und Zuleitungen unkontrolliert geöffnet werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wechselarmatur mit einem verschleißarmen und gleichzeitig servicefreundlichen Spülblock bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wechselarmatur, umfassend einen Spülblock, wobei der Spülblock zumindest einen ersten und zweiten Einlass für das erste bzw. zweite Medium umfasst, wobei der Spülblock zumindest einen Auslass umfasst, wobei der Auslass mit dem Anschluss am Gehäuse verbindbar ist, wobei der erste und zweite Einlass in den Auslass münden, und der Auslass somit einen gemeinsamen Zulauf des ersten und zweiten Mediums über den Anschluss in die Servicekammer bereitstellt. Die Wechselarmatur ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweiter Einlass für das erste bzw. zweite Medium parallel zueinander angeordnet sind, und der Auslass orthogonal zum ersten und zweiten Einlass angeordnet ist.
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Das betreffende Medium kann somit gezielt in die quer durchgehende Verbindungsbohrung eingebracht werden. Die Medien werden aus unterschiedlichen Behältern so geführt, dass sie in einem gemeinsamen Zulauf zur Wechselarmatur gelangen. Der Auslass ist im Wesentlichen zylinderförmig.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gibt es weitere Einlasse, als Beispiel soll hier vier Einlasse genannt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gibt es mehrere Auslasse, als Beispiel soll hier zwei Auslasse genannt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spülblock aus PVDF oder Edelstahl gefertigt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Spülblock eine Kartusche, wobei die Kartusche zumindest ein erstes und zweites Verschlusselement umfasst, wobei das erste und zweite Verschlusselement unabhängig voneinander in Richtung des ersten bzw. zweiten Einlass von einer Anfangsposition in eine Endposition beweglich sind, wobei das erste bzw. zweite Verschlusselement in Endposition den ersten bzw. zweiten Einlass verschließt, und wobei das erste bzw. zweite Verschlusselement in Anfangsposition den ersten bzw. zweiten Einlass für erstes bzw. zweites Medium freigibt.
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Die einzelnen Medien werden über die Verschlusselemente vom gemeinsamen Weg (querdurchgehender Auslass) abgetrennt.
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Das Verschlusselement ist hierbei etwa aus Edelstahl gefertigt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kartusche zumindest ein erstes und zweites Gegendruckelement, wobei das erste bzw. zweite Gegendruckelement einen Gegendruck auf das erste bzw. zweite Verschlusselement ausübt und dieses von Anfangsposition in Endposition bewegt, wenn kein erstes bzw. zweites Medium anliegt.
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Somit können die jeweils unbeteiligten Verschlusselemente nicht unkontrolliert geöffnet werden und nur das jeweils „aktive“ Medium gelangt zur Wechselarmatur.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Gegendruckelement steuerbar. In anderen Worten kann das Gegendruckelement von außen gesteuert werden, d.h. geöffnet und geschlossen werden, um somit den Weg des jeweiligen Mediums frei zu machen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bewegt sich das erste bzw. zweite Verschlusselement entgegen dem Gegendruck von erstem bzw. zweitem Gegendruckelement von Endposition in Anfangsposition, wenn der Druck von erstem bzw. zweitem Medium am ersten bzw. zweiten Einlass höher als der Gegendruck ist. Dadurch wird durch Anlegen eines entsprechenden Drucks des Mediums das Verschlusselement geöffnet. Ein Beispiel dafür ist ein Druck von etwa 3–5 bar. Je nach Art des Verschlusselements muss zusätzlich Reibung überwunden werden.
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Bevorzugt sind das erste bzw. zweite Verschlusselement mit dem ersten bzw. zweiten Gegendruckelement je als normal-geschlossenes System ausgestaltet. Somit fließt kein Medium wenn kein Druck anliegt.
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In einer ersten bevorzugten Variante ist das Gegendruckelement mechanisch ausgestaltet. Dabei ist das erste und zweite Gegendruckelement eine erste und zweite Feder ist, die je eine Federkraft als Gegendruck auf das erste bzw. zweite Verschlusselement ausüben.
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Das erste bzw. zweite Verschlusselement wird also entgegen der Federkraft von erster bzw. zweiter Feder von Endposition in Anfangsposition bewegt, wenn der Druck von erstem bzw. zweitem Medium am ersten bzw. zweiten Einlass hoch genug ist. Dabei sind das erste bzw. zweite Verschlusselement mit der ersten bzw. zweiten Feder je als normal-geschlossenes System ausgestaltet sind.
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In einer zweiten bzw. dritten bevorzugten Variante ist das erste bzw. zweite Gegendruckelement je pneumatisch oder hydraulisch ausgestaltet und üben somit einen pneumatischen oder hydraulischen Gegendruck auf das erste und zweite Verschlusselement aus.
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Zur besseren Wartbarkeit ist die Kartusche wechselbar ausgestaltet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Kartusche zumindest eine erste bzw. zweite Dichtung um das erste bzw. zweite Verschlusselement, die einen Innenraum der Kartusche vom ersten bzw. zweiten Einlass abdichtet. Es kann somit kein Medium eindringen.
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Zur einfachen Fertigbarkeit handelt es sich bei dem Auslass um eine einseitige Nut, Durchgangsbohrung oder ein Sackloch.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Spülblock, umfassend: zumindest einen ersten und einen zweiten Einlass zum Einleiten von einem ersten und zweiten Medium, einen Auslass, wobei der erste und zweite Einlass in den Auslass münden. Der Spülblock ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweiter Einlass für das erste bzw. zweite Medium parallel zueinander angeordnet sind, und der Auslass orthogonal zum ersten und zweiten Einlass angeordnet ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Wechselarmatur in einer perspektivischen Ansicht in Prozessstellung,
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2 eine erfindungsgemäße Wechselarmatur im Querschnitt in Servicestellung, und
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3a/b ein Spülblock im Querschnitt bzw. in einer Übersicht.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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„Oben“, „oberhalb“ und verwandte Begriffe bedeuten im Sinne dieser Erfindung vom Messmedium 14 abgewandt. „Unten“, „unterhalb“ und verwandte Begriffe bedeuten im Sinne dieser Erfindung dem Messmedium 14 zugewandt.
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Die erfindungsgemäße Wechselarmatur in ihrer Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt. Die Wechselarmatur 1 besteht aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 2, das mittels eines Anschlussmittels 13 an ein Behältnis 15 angeschlossen werden kann. Das Anschlussmittel 13 kann etwa als Flanschverbindung, z.B. aus Edelstahl, ausgeführt werden. Andere Ausgestaltungen sind aber möglich. Im Behältnis befindet sich das zu messende Messmedium 14. Das Behältnis 15 kann etwa ein Behälter, Kessel, Rohr, Rohrleitung o.ä. sein.
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1 zeigt die Wechselarmatur 1 in der Prozessstellung. Dies wird im Folgenden näher erläutert. 2 zeigt die Wechselarmatur 1 in Servicestellung.
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Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Tauchrohr 3 geführt. Ein Sensor 16 ist durch eine, nicht näher beschriebene, Aufnahme mit dem Tauchrohr 3, beispielsweise durch Verschraubung, verbunden. Der Sensor 16 im Sinne dieser Erfindung umfasst Sensoren zur Messung einer oder mehrerer physikalischer oder chemischer Prozessgrößen. Diese sind beispielsweise pH-Wert, auch über einen ISFET, Redoxpotential, Absorption von elektromagnetischen Wellen im Messmedium 14, beispielsweise mit Wellenlängen im UV-, IR-, und/oder sichtbaren Bereich, Sauerstoff, Leitfähigkeit, Trübung, Konzentration von metallischen und/oder nicht-metallischen Werkstoffen oder Temperatur. Über eine Öffnung 8 im Tauchrohr 3 hat der Sensor 16 Zugang zum Messmedium 14. Dabei ist die Öffnung 8 so ausgestaltet, dass sie insbesondere dann wenn die Wechselarmatur 1 in einer Rohrleitung angewendet wird, in Strömungsrichtung offen ist, d.h. dass der Sensor 16 optimal vom Messmedium 14 angeströmt wird.
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Das Tauchrohr 3 kann aus verschieden Materialien hergestellt sein. Der Stand der Technik kennt Tauchrohre 3 aus Stahl bzw. Edelstahl. Es sind aber Anwendungen, insbesondere in der chemischen Industrie verbreitet, bei denen sehr widerstandfähige Materialien angewendet werden. Das Tauchrohr 3 kann somit auch aus einem Kunststoff wie Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFA), einem Perfluoralkoxy-Polymer (PFA), einem anderen Kunststoff oder widerstandsfähigen Metallen wie etwa Hastelloy hergestellt sein. Das gleiche gilt für das Gehäuse 2.
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Das Tauchrohr 3 ist axial in Richtung des Messmediums 14 bzw. in vom Messmedium 14 abgewandter Richtung, entlang der zentralen Achse L, verschieblich gelagert. Das Tauchrohr 3 ist dabei zwischen der ins Gehäuse 2 eingefahrenen Servicestellung (in 2 dargestellt) und der aus dem Gehäuse 2 ausgefahrenen Prozessstellung (in 1 dargestellt) verfahrbar. In der Prozessstellung findet die Messung statt. Über eine käfigartige Öffnung im Tauchrohr 3 hat die Sonde bzw. der Sensor 16 Zugang zum Messmedium 14. In der Servicestellung werden verschiedenste Serviceaufgaben wie Reinigung oder Kalibration durchgeführt werden. Durch den Anschluss 7 kann dabei Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- und/oder Sterilisationsmedium in den Gehäuseinnenraum, insbesondere in die Servicekammer 11, eingelassen werden. Im Allgemeinen soll hier Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- und/oder Sterilisationsmedium als „Medium“ bezeichnet werden. Das Medium kann dabei flüssig oder gasförmig sein. Durch den entsprechenden Anschluss 22, der sowohl axial als auch radial versetzt zum Anschluss 7 positioniert sein kann, kann die Flüssigkeit wieder ablaufen. Auch kann die Spülrichtung umgekehrt sein.
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Die Verschiebung des Tauchrohrs 3 wird durch eine Antriebsvorrichtung 18 durchgeführt, die sich oberhalb der Servicekammer 11 befindet. Im Wesentlichen gibt es zwei verschiedene Ausgestaltungen für die Antriebsvorrichtung 18. Nämlich mittels manuellen Spindeltrieb oder automatischen Antrieb, etwa durch Versorgungsenergie. Wird Versorgungsenergie durch den Anschluss 4 eingebracht, bewegt sich das Tauchrohr 3 von Service- in Prozessstellung. Der Anschluss 5 dient dann als Auslass. Wird Versorgungsenergie durch den Anschluss 5 eingebracht, bewegt sich das Tauchrohr 3 von Prozess- in Servicestellung. Der Anschluss 4 dient dann als Auslass. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise pneumatische, hydraulische oder elektrische Antriebe bekannt.
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Bei einem manuellen Spindelantrieb wird, ausgehend von der Servicestellung, durch Drehen einer Spindelmutter im Uhrzeigersinn das Tauchrohr 3 in die Prozessstellung verfahren. Auch der Handantrieb kann nur mit montiertem Sensor 16 in die Prozessstellung verfahren werden. Ohne eingeschraubten Sensor blockiert der Antrieb. Bei Erreichen der Prozessstellung rastet eine Arretierung ein, so dass der Antrieb nicht selbstständig aus der Prozessstellung zurückfahren kann. Erst durch manuelles Entriegeln der Arretierung kann der manuelle Antrieb zurück in die Servicestellung verfahren werden. In der Servicestellung ist keine Arretierung vorhanden, ein selbstständiges Einfahren des Sensors wird jedoch durch den selbsthemmenden Spindelantrieb verhindert. In einer besonderen Ausprägung handelt es sich um ein selbsthemmendes, mehrgängiges Gewinde, insbesondere um ein Trapezgewinde. Das obere Ende des Tauchrohres 3 ist genau so ausgestaltet wie bei einer mit Versorgungsenergie betriebenen Armatur 1 und wird von einer Abdeckhaube 6 umschlossen.
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Ist das Tauchrohr 3 in Servicestellung, befindet sich ein Teilbereich des Tauchrohrs 3, insbesondere der Sensor 16, im Gehäuseinnenraum, wie erwähnt in der Servicekammer 11 zum Spülen, Reinigen, Kalibrieren, Sterilisieren etc. Am unteren Ende des Tauchrohres 3 befindet sich zur Prozessabschottung das Verschlusselement 9. Das Verschlusselement 9 dichtet die Servicekammer 11 zum Prozess, und damit zum Messmedium 14, ab. Das Messmedium kann heiß, giftig, ätzend oder in sonstiger Weise schädlich für Mensch und Umwelt sein. Es ist daher darauf zu achten, dass das Verschlusselement 9 sicher und dauerhaft abdichtet. Dafür werden verschiedene Dichteinrichtungen am Gehäuse 2 angebracht, insbesondere werden ein oder mehrere Mediumsdichtungen 10 verwendet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist die Mediumsdichtung 10 am Gehäuse 2 angeordnet. Alternativ kann die Mediumsdichtung 10 am unteren Endbereich des Tauchrohrs 3 angeordnet sein (nicht abgebildet).
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Am oberen Bereich des Tauchrohrs 3 ist zumindest eine Dichtung 17, im Beispiel zwei Dichtungen 17, 23 angeordnet. Die Dichtung 17, 23 dichtet die Servicekammer 11, besonders bei Bewegung von Servicestellung in Prozessstellung und umgekehrt, gegenüber der Antriebsvorrichtung 18 ab. In Servicestellung ist die obere Dichtung 17 oberhalb des Anschluss 22 angeordnet und die untere Dichtung 23 ist auf gleicher Höhe oder unterhalb des Anschluss 22 angeordnet.
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Ein erfindungsgemäßer Spülblock 12 (genauer der Auslass 20, siehe unten) wird an einen Anschluss 7 oder 22 angeschlossen, in 2 dargestellt ist es am unteren Anschluss 7. Auch kann zwischen Anschluss 7, 22 und Spülblock 12 ein Schlauch, Stab o.ä. angelegt werden.
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Der Spülblock 12 umfasst ein Gehäuse und eine Kartusche 21. Die Kartusche 21 ist wechselbar ausgestaltet. 3a zeigt den Spülblock 12 im Querschnitt, 3b in einer Übersicht. Spülblock 12 und Kartusche 21 sind etwa aus PVDF oder Edelstahl gefertigt. Wie erwähnt ist der Spülblock 12 so ausgestaltet, dass die Kartusche 12 gewechselt werden kann. Somit muss nicht der komplette Spülblock 12 gewechselt werden, sondern nur der Teil, der Verschleiß unterliegt.
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In 3a sind rechts dargestellt zwei oder mehr Einlässe 19a–d. An den Einlass 19a–d werden die verschiedenen Medien angeschlossen, also etwa zum Reinigen, Sterilisieren, Säubern, Spülen etc. Alle Einlässe 19a–d sind parallel zueinander angeordnet. Die Einlässe 19a–d münden in einen dazu quer verlaufenden Auslass 20. Der Auslass 20 ist mit dem Anschluss 7, 22 der Wechselarmatur 1 verbindbar. In 3a/b ist Auslass 20 unterhalb des Einlass 19a–d (bzw. unterhalb des Verschlusselements 24) angeordnet. Selbstredend ist es möglich, dass der Auslass 20 oberhalb angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Spülblock 12 zwei Auslasse 20, einen oberhalb und einen unterhalb des Verschlusselements 24, bzw. der Verschlusselemente 24 (nicht dargestellt).
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Der Auslass 20 ist als Durchgangsbohrung oder als Sackloch ausgestaltet. Wird der Spülblock 12 als zweiteiliges Element ausgeführt, kann der Auslass 20 auch als einseitige Nut hergestellt werden.
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Verschlusselemente 24 verschließen mit an einem Ende angeordneten Dichtungen 29 den Einlass 19a–d. Die Verschlusselemente 24 sind parallel zum Einlass 19a–d bewegbar, in Richtung des dargestellten Pfeils 25. Die Verschlusselemente 24 sind von einer Anfangsposition (Einlass 19a–d offen) in eine Endposition (Einlass 19a–d verschlossen) bewegbar.
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Der Spülblock 12 umfasst Gegendruckelemente 26. Es sollen hier mehrere Ausgestaltungen der Gegendruckelemente genannt werden, nämlich eine mechanische, hydraulische und pneumatische Ausgestaltung. Im Folgenden soll näher auf die mechanische Variante eingegangen werden. Dabei sind die mechanischen Gegendruckelemente 26 als Federn ausgestaltet.
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Die Gegendruckelemente 26 sind steuerbar ausgestaltet, d.h. sie können etwa von extern, beispielsweise elektrisch, gesteuert, d.h. geöffnet oder geschlossen werden.
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Der Spülblock 12 umfasst somit Federn 26 als Gegendruckelemente, wobei die Federn 26 das Verschlusselement 24 in die Endposition bewegen und den Einlass 19a–d verschließen. Das Einlass-Verschlusselement-System ist somit ein „normal-geschlossenes“ (englisch: normally closed).
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Jedem Einlass 19a–d ist somit je ein Verschlusselement 24 mit Feder 26 zugeordnet.
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Liegt kein Medium am Einlass 19a–d an, ist dieser verschlossen. Wird der Druck des Medium am Einlass 19a–d groß genug, so wird der Verschlusselement 24 entgegen der Feder 26 von Endposition in Anfangsposition gedrückt und gibt den Weg für das entsprechende Medium am Einlass 19a–d und damit in die Servicekammer 11 frei.
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Die Verschlusselemente 24 werden entgegen dem Gegendruck von erstem bzw. zweitem Gegendruckelement 26, also den Federn, von Endposition in Anfangsposition bewegt, wenn der Druck von erstem bzw. zweitem Medium am ersten bzw. zweiten Einlass höher als der Gegendruck ist.
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Um das Verschlusselement 24 herum angeordnet ist eine Dichtung 28 um die Feder 26 bzw. den Innenraum des Spülblocks 12, respektive des Spülblocks 12, vor Medium zu schützen. Die weitere Dichtung 27 sorgt dafür, dass kein Medium um die Kartusche 21 herumfließen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselarmatur
- 2
- Gehäuse
- 3
- Tauchrohr
- 4
- Anschluss Versorgungsenergie
- 5
- Anschluss Versorgungsenergie
- 6
- Abdeckhaube
- 7
- Anschluss
- 8
- Öffnung in 3
- 9
- Verschlusselement
- 10
- Mediumsdichtung
- 11
- Servicekammer
- 12
- Spülblock
- 13
- Anschlussmittel
- 14
- Messmedium
- 15
- Behältnis
- 16
- Sensor
- 17
- Dichtung
- 18
- Antriebsvorrichtung
- 19a–d
- Einlass
- 20
- Auslass
- 21
- Kartusche
- 22
- Anschluss
- 23
- Dichtung
- 24
- Verschlusselement
- 25
- Bewegungsrichtung von 24
- 26
- Gegendruckelement
- 27
- Dichtung
- 28
- Dichtung
- 29
- Dichtung
- L
- Längsachse von 1
