DE102016125871A1

DE102016125871A1 - System zur Bestimmung und Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums

Info

Publication number: DE102016125871A1
Application number: DE102016125871.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Altendorf; Detlev Wittmer
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2018-07-05
Also published as: US20180188081A1; CN108318063A; CN108318063B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (1), das in einem Behältnis (2) angeordnet ist, umfassend zumindest einen optischen Faser-Bragg-Sensor (3) mit einem Lichtwellenleiter (4) mit zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (5),zumindest eine Signalerzeugungseinheit (6), die so ausgestaltet ist, dass siezumindest ein optisches Eingangssignal erzeugt und auf den zumindest einen Lichtwellenleiter (4) einkoppelt,zumindest eine Empfangseinheit (7), die so ausgestaltet ist, dass sie aus demzumindest einen Lichtwellenleiter (4) zumindest ein optisches Ausgangssignal empfängt und in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt, undeine Auswerteeinheit, die anhand des zumindest einen elektrischen Ausgangsignals die zumindest eine Prozessgröße bestimmt,wobei zumindest ein Teilabschnitt (TA) des zumindest einen Lichtwellenleiters (4) innerhalb des Behältnisses (2) oder in der Wandung (8) des Behältnisses (2) angeordnet ist,und wobei der Teilabschnitt (TA) des zumindest einen Lichtwellenleiters (4) so ausgestaltet ist, dass das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter (5) von der zumindest einen zu bestimmenden Prozessgröße des Mediums (1) beeinflusst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums.
Spektrometrische Messungen in Medien, insbesondere in Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen sowie in Mehrphasen-Gemischen, liefern Informationen über die aktuelle Beschaffenheit und/oder Zusammensetzung des jeweiligen Mediums. In der Prozessautomatisierung kommen spektrometrische Untersuchungen von Medien bevorzugt zur Anwendung, wenn während eines Produktions- oder Destillationsprozesses die Menge, die Konzentration oder die Qualität eines in dem Prozess als Zwischen- oder Endprodukt gebildeten Stoffes überwacht werden muss. Beispielsweise können in einem biochemischen Produktionsprozess Konzentrationen von Nährstoffen und/oder Konzentrationen von Stoffwechselprodukten der im Produktionsprozess verwendeten Mikroorganismen und/oder die Konzentration des in dem Produktionsprozess erzeugten Zwischen- oder Endprodukts überwacht werden. Anhand der spektrometrisch gewonnen Informationen lässt sich der Produktionsprozess steuern oder regeln. Das Medium selbst befindet sich während des Produktionsprozesses üblicherweise in einem Behälter, beispielsweise einem Reaktor, einem Fermenter oder einer Rohrleitung.
Eine für die Analyse und Überwachung gasförmiger, flüssiger und fester Medien sehr gut geeignete spektrometrische Methode ist die Raman-Spektroskopie. Diese basiert auf der als Raman-Effekt bezeichneten inelastischen Streuung von elektromagnetischer Anregungsstrahlung an Atomen oder Molekülen. Infolge der inelastischen Streuung kommt es zu einer Energieübertragung zwischen der Anregestrahlung und den wechselwirkenden Teilchen des Mediums (Atome, Moleküle). Die Energie wird entweder von der Strahlung auf die Teilchen (Stokes-Streuung) oder von den Teilchen auf die elektromagnetische Strahlung (Anti-Stokes-Streuung) übertragen. Die Streustrahlung hat somit eine niedrigere Energie oder höhere Energie als die Anregungsstrahlung. Ein Raman-Spektrum zeigt die Intensität der Streustrahlung als Funktion ihrer Frequenzdifferenz zur Anregungsstrahlung (in der Regel in Wellenzahlen cm^-1 angegeben). Die Raman-Spektroskopie ist eine Schwingungsspektroskopie, d.h. die mit der Raman-Spektroskopie erfassten Energieübergänge entsprechen charakteristischen Schwingungs-Energieniveaus von Atomen im Kristallgitter oder von Molekülen bzw. von funktionellen Gruppen von Molekülen. Somit kann anhand bestimmter Peaks bzw. Banden im Raman-Spektrum z.B. auf das Vorliegen bestimmter Moleküle in dem Medium und anhand der Intensität der jeweiligen Peaks bzw. Banden auf die Konzentration der Moleküle in dem Medium geschlossen werden.
Besondere Vorteile bietet die Raman-Spektroskopie bei Untersuchungen von wässrigen Prozessmedien, insbesondere biologischen Systemen bzw. biotechnologischen Prozessen, da Wasser ein sehr schwacher Raman-Streuer ist, so dass Raman-Signale von in Wasser gelösten Molekülen im Raman-Spektrum gut erkennbar sind. Darüber hinaus erfordert Raman-Spektroskopie keine zusätzliche Vorbereitung der Probe und kann in kurzer Zeit Messwerte bereitstellen. Daher ist diese Methode für die Prozessanalyse und Prozesssteuerung besonders attraktiv.
Im Stand der Technik ist es üblich, Proben eines Prozessmediums aus dem Prozessbehälter zu entnehmen und diese mittels Ramanspektroskopie im Labor zu untersuchen. Die Ramanspektren werden mittels einer Datenverarbeitungseinheit, z.B. eines herkömmlichen Computers, ausgewertet. Die Probennahme als solche ist nicht unproblematisch und bringt auch einige Nachteile mit sich: So ergibt sich zwangsläufig ein Zeitversatz zwischen dem Zeitpunkt der Entnahme einer Probe aus dem Prozessbehälter und der Analyse im Labor, da bekannte Ramanspektrometer nur bedingt für den Einsatz im Prozess tauglich sind. Weiterhin ist eine sachgerechte und sterile Entnahme von Proben aus steril zu haltenden Prozessen, z.B. in der Lebensmitteltechnologie, in Prozessen der Pharmaindustrie und/oder der Biotechnologie, mit hohem apparativem und personellem Aufwand verbunden. Je nach Art des Prozesses kann bei der Probennahme auch eine Gesundheitsgefährdung bestehen, wenn beispielsweise ein ungewollter Kontakt der Probe oder des Prozessmediums mit der Umgebung oder dem Bedienpersonal auftritt. Besonders problematisch ist in diesem Zusammenhang natürlich die Entnahme von Proben aus Prozessen, die per se ein hohes Gefährdungspotential in sich bergen. Diese Gefährdung kann beispielsweise durch gesundheitsschädliche Strahlung, durch Staubatmosphäre oder einfach dadurch gegeben sein, dass das in dem Prozess befindliche Medium, z.B. aufgrund der Dimensionierung des Behälters, nur schwer zugänglich ist. Auch ist die Ramanspektroskopie nur für Analysezwecke einsetzbar; sie ist nicht in der Lage, Informationen über anderweitige physikalische oder chemische Prozessgrößen bereitzustellen.
Aus der DE 10 2013 103 518 A1 (E+H) ist ein vorgefertigtes Inline-Messgerät bekannt geworden, das einen ersten Messaufnehmer zur spektrometrischen Bestimmung der Konzentration wenigstens einer Komponente eines in einer Rohrleitung fließenden Mediums mittels eines optischen Messprinzips beschreibt. Der erste Messaufnehmer ist in ein Messrohr integriert ist, das einen Rohrleitungsabschnitt umfasst. Dieser Rohrleitungsabschnitt ist so ausgestaltet, dass er nachfolgend in die Rohrleitung integriert werden kann. Vorfertigung und Kalibrierung des Inline-Messgeräts erfolgen bevorzugt werksseitig.
Weiterhin ist es bekannt geworden, physikalische oder chemische Prozessgrößen mittels faseroptischer Sensoren zu bestimmen. Faseroptische Sensoren nutzen zur Leitung der Messstrahlung bzw. des Lichts Lichtwellenleiter. Ein Lichtwellenleiter besteht aus einem Kern und einem Mantel. Faseroptische Sensoren haben einige Vorteile: So sind sie weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren elektromagnetischen Störfeldern, und ihr Einsatz ist auch im Hochtemperaturbereich möglich. Aufgrund ihrer kleinen Dimensionierung haben die faseroptischen Sensoren darüber hinaus den Vorteil, dass über Multiplexen Information über unterschiedliche Prozessgrößen von mehreren Sensoren, die in zumindest einer Faser vorgesehen sind, gewonnen werden kann.
Bevorzugt beruhen die faseroptischen Sensoren auf dem Faser-Bragg-Verfahren. Bei diesen Sensoren ist in den Lichtwellenleiter zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) eingeschrieben. Ein FBG entsteht durch eine periodische Modulation des Brechungsindexes der Brechzahl des Kerns des Lichtwellenleiters und hat die Funktion eines optischen Interferenzfilters: Wellenlängen des Lichts, die innerhalb der Filterbandbreite um die Bragg-Wellenlänge liegen, werden reflektiert. Hierbei hängt der effektive Brechungsindex sowohl von den Geometrien und den Brechungsindizes von Kern und Mantel als auch von den Wellenmoden ab.
Als Signalerzeugungsquelle wird eine Breitband-Lichtquelle oder ein durchstimmbarer Laser verwendet, der kontinuierlich einen bestimmten Wellenlängenbereich, in dem die Braggwellenlängen der zu detektierenden FBG liegen, durchfährt.
Die Erfassung und Auswertung der Bragg-Wellenlänge(n) erfolgt entweder über das Wavelength Divison Multiplexing (WDM) oder das Time Division Multiplexing (TDM). Beim WDM werden die unterschiedlichen Mittenwellenlängen der einzelnen Bandbreiten der FBG als wellenlängenkodiertes Signal genutzt, während beim TDM-Verfahren die unterschiedlichen Laufzeiten des Lichts aufgrund der verschiedenen Abstände der FBGs und des Detektor verwendet werden. Beim TDM-Verfahren können alle FBG-Sensoren in einer optischen Faser dieselbe Bragg-Wellenlänge besitzen, da über die Laufzeit des Lichts die Positionen der einzelnen FBGs bekannt ist und gleichzeitig über einen Wellenlängendekoder die Änderung der Bragg-Wellenlänge ermittelt werden kann. Mit dem WDM-Verfahren lässt sich eine höhere Auflösung als beim TDM-Verfahren erreichen. Auch können die Sensoren in sehr kurzen Abständen aufeinanderfolgen. Als Beispiel für ein Messgerät zur Erfassung und Auswertung von FBG-Messsignalen ist ein optische Spektrumsanalysator (OSA) zu nennen. Weitere Informationen zu faseroptischen Sensoren finden sich in der im Internet zugänglichen Doktorarbeit von Dipl. Ing. Dr. Vivien Giesela Schlüter Entwicklung eines experimentell gestützten Bewertungsverfahren zur Optimierung und Charakterisierung der Dehnungsübertragung oberflächenapplizierter Faser-Bragg-Gitter-Sensoren .
Aus der EP 1 068 686 B1 (Phoenix Controls Corp) ist ein vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem zur Erfassung von Umweltgrößen bekannt geworden, wobei das Signalverteilungssystem die folgenden Komponenten umfasst: eine Lichtquelle, einen Photodetektor, ein optisches Verteilungsnetz zum Verteilen von Licht der Lichtquelle zu dem Photodetektor entlang zumindest eines ausgewählten Lichtwegs. Zu dem optischen Verteilungsnetz gehören eine Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen, die auf mindestens eine Umgebungsgröße reagieren, die mit dem Licht wechselwirkt. Gemäß einer Ausgestaltung werden FBG-Sensoren eingesetzt. Insbesondere handelt es sich bei den Umgebungsgrößen um den CO2-Gehalt, um VOCs (flüchtige organische Verbindungen) oder andere gasförmige Bestandteile, bakterielle Agentien, Temperatur, Feuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, Luftdruck. Weiterhin sind fernverteilten Schalter zum selektiven Verbinden der optischen Vorrichtungen mit dem optischen Verteilungsnetz vorgesehen. Das Übertragungsnetz ist so ausgestaltet, dass das Licht von der Lichtquelle und das von der zumindest einen Umgebungsgröße beeinflusste Licht entlang desselben Lichtwegs übertragen werden. Anhand des Ausgabesignals des Photodetektors erzeugt ein Prozessor Information über die jeweils zu detektierende Umweltgröße.
Aus der EP 1 826 545 A1 (Fuji) ist eine Vorrichtung zur Messung von Zustandsgrößen mit zumindest einem faseroptischen Sensor bekannt geworden; insbesondere handelt es ich bei der Vorrichtung um ein Schadenserkennungssystem. Die Vorrichtung verwendet einen Lichtwellenleiter, welcher in oder an einer mechanischen Komponente verlegt wird. Der Lichtwellenleiter weist eine Vielzahl von FBG auf. Jedes Faser-Bragg-Gitter reflektiert einen Teil eines im Lichtwellenleiter geführten optischen Eingangssignals. Bei Einwirken einer mechanischen Spannung verändern sich die Länge des Lichtwellenleiters und damit die Gitterkonstante der Faser-Bragg-Gitter. In Folge der Änderung der Gitterkonstanten ändert sich auch die Wellenlänge des reflektierten Anteils des optischen Eingangssignals. Durch Auswertung des reflektierten Anteils bzw. des optischen Ausgangssignals lässt sich auf die Belastung und/oder die Temperatur der mechanischen Komponente schließen. Zur Erzeugung des Eingangssignals und zur Auswertung des Ausgangssignals werden eine breitbandige Lichtquelle, ein optischer Zirkulator und ein Arrayed-Waveguide-Grating verwendet. Die Komponenten werden als diskrete Elemente mit bekannten optischen Steckverbindern oder Spleißverbindungen zusammengefügt.
Die bekannte Lösung ist in Bezug auf die Signalerzeugung und -auswertung mechanisch wenig robust. Weiterhin sind Platzbedarf und Energieverbrauch vergleichsweise hoch, so dass die bekannte Vorrichtung nur mit großem Aufwand hergestellt und betrieben werden kann.
Aus der WO 2006/079466 A1 (Bayer) ist eine spektroskopische Anordnung bekannt geworden, bestehend aus mindestens einer Lichtquelle für Bragg-Gitter-Fasern und eine NIR-Messzelle, mindestens einem optischen Multiplexer zur Aufschaltung unterschiedlicher Messstrecken auf ein Spektrometer, mindestens einer FBG Faser und mindestens einer Glasfaser für die NIR-Spektroskopie, einem Interferometer, einem Detektor und einer Signalauswertung/Steuerung. Über die Signalauswertung/Steuerung erfolgt einerseits die spektrometrische Bestimmung der Konzentration mittels der NIR-Messzelle und andererseits die spektrometrische Bestimmung der Temperatur bzw. des Temperaturprofils mittels der FBG Faser. Das Interferometer eines Fourier-Transform-Spektrometers ist zwischen dem Ausgang der Messstrecken und dem Detektor angeordnet.
Weitere Lösungen zu Faseroptischen Sensoren und deren Verwendung sind aus den folgenden Patentanmeldungen bekannt geworden: DE 10 2012 221 067 A1 , der DE 102012 214 441 A1 , der DE 10 2012 222 460 A1 . Der DE 10 2010 001 197 A1 und der DE 10 2013 205 205 A1 (Erfinder u.a. Prof. Schade).
In der DE 10 2011 017 622 B3 (Erfinder u.a. Prof. Schade) wird eine faseroptische Vorrichtung zur Messung von Zustandsgrößen und deren Verwendung beschrieben, welche mit geringem Bauraum auskommt, einfach und kostengünstig herstellbar und einsetzbar ist. Die Vorrichtung besteht aus einem Koppler bzw. Lichtwellenleiter, zumindest einem Filterelement bzw. einem Faser-Bragg-Gitter, das in den Koppler eingebracht ist, und zumindest einem photoelektrischen Konverter. Bei der bekannten Lösung sind der optische Koppler, das Filterelement und der photoelektrische Konverter und eventuell auch eine Auswerteeinheit auf einem Substrat angeordnet. Die Vorrichtung ermöglicht es, einwirkende Kräfte, mechanische Spannungen und/oder Temperaturen an mechanischen Komponenten durch die Veränderung der Gitterkonstanten von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter zu bestimmen. Die mechanische Komponente besteht entweder aus einem faserverstärkten Kunststoff, einem Metall oder einer Legierung. Bevorzugt sendet die Lichtquelle ein breitbandiges optisches Signal aus, so dass eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gittern mit unterschiedlicher Gitterkonstante ausgelesen werden können. Der von dem zumindest einen Faser-Bragg-Gitter reflektierte Anteil des optischen Eingangssignals wird durch zumindest eine passive optische Komponente gefiltert und von einem photoelektrischen Konverter in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird einer Auswerteschaltung zugeführt.
Zwar benötigt die bekannte Lösung wenig Platz, jedoch ist sie für den Einsatz in Anwendungen der Prozessautomatisierung nur bedingt einsatzfähig. In biochemischen und pharmazeutischen Prozessen geht die Entwicklung tendenziell in Richtung der Verwendung von Einwegbehältern und/oder kleiner Chargen. Die bekannte Vorrichtung mit ihren integrierten elektrischen und elektronischen Komponenten müsste im zuerst genannten Fall zusammen mit dem Behältnis entsorgt werden - was Zusatzkosten mit sich bringt, da für jedes Behältnis eine entsprechende Vorrichtung gefertigt werden muss -, oder die Vorrichtung muss gereinigt und ggf. sterilisiert werden, was ebenfalls Zusatzkosten mit sich bringt, da die Reinigung/Sterilisation aufwändig ist und/oder die Vorrichtung für die Reinigung/Sterilisation ausgelegt sein muss. Hinzu kommt, dass elektrische/elektronische Komponenten nicht gammasterilisierbar sind. Ähnliche Probleme treten auf, wenn die bekannte Vorrichtung in einem Prozess eingesetzt werden soll, in dem radioaktive Strahlung auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges System zur Bestimmung einer Prozessgröße eines Mediums in der Automatisierungstechnik vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, das in einem Behältnis angeordnet ist. Bei dem Behältnis handelt es sich beispielsweise um einen beliebigen Tank, eine Rohrleitung, einen Fermenter oder einen Einweg- bzw. Wegwerfbehälter. Das System umfasst zumindest einen optischen Faser-Bragg-Sensor mit einem Lichtwellenleiter mit zumindest einem Faser-Bragg-Gitter, und zumindest eine Signalerzeugungseinheit, die so ausgestaltet ist, dass sie zumindest ein optisches Eingangssignal erzeugt und auf den zumindest einen Lichtwellenleiter einkoppelt. Bei dem Eingangssignal handelt es sich entweder um ein breitbandiges optisches Eingangssignal oder um schmalbandige Eingangssignale, die auf die Messaufgaben der Faser-Bragg-Sensoren und insbesondere auf die Faser-Bragg-Gitter angepasst sind. Weiterhin umfasst das System eine Empfangseinheit, bei der es sich bevorzugt um einen photoelektrischen Konverter handelt. Die Empfangseinheit ist so ausgestaltet, dass sie aus dem zumindest einen Lichtwellenleiter zumindest ein optisches Ausgangssignal empfängt und in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die anhand des zumindest einen elektrischen Ausgangsignals die zumindest eine Prozessgröße bestimmt. Möglichkeiten der Auswertung sind bereits in der Beschreibungseinleitung genannt.
Erfindungsgemäß ist zumindest ein Teilabschnitt des zumindest einen Lichtwellenleiters innerhalb des Behältnisses oder in der Wandung des Behältnisses angeordnet. Der Teilabschnitt des zumindest einen Lichtwellenleiters ist so ausgestaltet, dass das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter von der zumindest einen zu bestimmenden Prozessgröße des Mediums beeinflusst wird. Der Teilabschnitt kann beliebig geformt sein: z.B. gerade, mäanderförmig, gebogen. Er kann mit einem oder beiden Endbereichen durch die Wandung des Behältnisses geführt sein, oder je nach Ausgestaltung - auch dort enden. Selbstverständlich kann anstelle eines Lichtwellenleiters auch ein Bündel von Lichtwellenleitern verwendet werden.
Bei dem Medium handelt es sich bevorzugt um ein fließfähiges Medium, insbesondere um ein Gas, ein Gasgemisch, eine Flüssigkeit, ein Granulat oder ein Pulver.
Der optische Faser-Bragg-Sensor ist weiterhin so ausgestaltet, dass er insbesondere zumindest eine der nachfolgend genannten physikalischen oder chemischen Prozessgrößen bestimmt: Temperatur, Druck, Füllstand, Durchfluss, mechanische Spannungen, Störvibrationen, pH Wert, Trübung, Konzentration eines Stoffes, ein atomares oder molekulares Gas oder einen Anteil von zumindest einer Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperkomponente. Darüber hinaus kann der optische Faser-Bragg-Sensor so ausgestaltet sein, dass er die Farbe des Mediums bestimmt, oder er ist so ausgestaltet, dass er zumindest einen Metaboliten oder die Konzentration eines Metaboliten bestimmt, wobei ein Metabolit ein Zwischenprodukt in einem biochemischen Stoffwechselprozess ist. Beispielhafte Lösungen für unterschiedliche Faser-Bragg-Sensoren sind bereits in der Beschreibungseinleitung zitiert.
Die erfindungsgemäße Lösung ist für den Einsatz in der Prozessautomatisierung bestens geeignet. Wie bereits gesagt, geht die Entwicklung insbesondere bei biochemischen und pharmazeutischen Prozessen tendenziell in Richtung der Verwendung von Einwegbehältern und/oder kleinen Chargen. Mit der Erfindung ist es problemlos möglich - wie nachfolgend noch in Zusammenhang mit bevorzugten Ausgestaltungen beschrieben wird -, den Lichtwellenleiter nach Erfüllung der Mess- oder Überwachungsaufgabe entweder aus dem Behältnis zu entfernen und anschließend zu reinigen/sterilisieren, den Lichtwellenleiter mit dem Behältnis zu reinigen/sterilisieren oder den zumindest einen Lichtwellenleiter in dem Behältnis zu belassen und mit dem Behältnis zu entsorgen. Selbst eine Gamma-Sterilisation des zumindest einen Lichtwellenleiters mit oder ohne Behältnis ist möglich, wenn die Materialien geeignet gewählt werden. Gleiches gilt, wenn der zumindest eine Lichtwellenleiter in einem Prozess eingesetzt ist, in dem ein hohes Gefährdungspotential, z.B. infolge radioaktiver Strahlung, herrscht. Ein weiterer Vorteil der Lösung ist darin zu sehen, dass sich die elektronischen Komponenten von dem Prozess entfernt (z.B. in einer Leitwarte) befinden können erfolgt doch die Übertragung des Lichts über den Lichtwellenleiter nahezu verlustfrei.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Lichtwellenleiter aus einem Kern und einem den Kern zumindest teilweise umschließenden Mantel. Um sicherzustellen, dass das Licht sich im Wesentlichen in dem Kern ausbreitet, weist das Kernmaterial einen höheren Brechungsindex auf als das Mantelmaterial.
Alternativ und oder abgestimmt auf die zu bestimmende Prozessgröße besteht der Lichtwellenleiter aus einer Faser, wobei das Fasermaterial einen größeren Brechungsindex aufweist als das das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter beeinflussende Medium.
Als besonders vorteilhaft wird es in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System angesehen, wenn der Lichtwellenleiter in definierten Abständen Faser-Bragg-Gitter-Gruppen enthält, wobei eine Faser-Bragg-Gitter-Gruppe so ausgestaltet ist, dass selektiv zumindest zwei unterschiedliche Prozessgrößen bestimmbar sind. Erfindungsgemäß wird somit ein Multisensor bereitgestellt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Lichtwellenleiter so ausgestaltet ist, dass zumindest ein Faser-Bragg-Gitter oder zumindest ein Faser-Bragg-Gitter der Faser-Bragg-Gitter-Gruppe zwecks Bestimmung einer Prozessgröße des Mediums über ein evaneszentes Feld mit dem Medium in Wechselwirkung tritt. Unter Evaneszenz wird verstanden, dass elektromagnetische Wellen in ein Material, in dem sie sich nicht ausbreiten können, eindringen und dann exponentiell in dem Material verschwinden . In der DE 10 2014 220 040 A1 (Boston University, Frauenhofer, Erfinder u.a. Prof Schade) ist ein faseroptischer Sensor bekannt geworden, welcher ein Faser-Bragg-Gitter enthält. Der faseroptische Sensor enthält einen Lichtwellenleiter mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Mantel im Bereich des Faser-Bragg-Gitters entfernt ist. Der faseroptische Sensor kann in Gase oder Flüssigkeiten eingetaucht werden, wobei sich die vom Faser-Bragg-Gitter reflektierte Bragg-Wellenlänge in Abhängigkeit vom Brechungsindex bzw. der Brechzahl des Mediums, das den Sensor umgibt, ändert. Um diesem Effekt zu verstärken und die Auflösung des faseroptischen Sensors zu erhöhen, schlägt die DE 10 2014 220 040 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Brechzahl oder ein Hydrophon (Unterwassermikrophon) vor, bei dem der Mantel des Lichtwellenleiters in zumindest einem ersten Längsabschnitt zumindest teilweise entfernt ist. Der Kern enthält in zumindest einem zweiten Längsabschnitt zumindest ein Faser-Bragg-Gitter. Zumindest eine Teilfläche der Oberfläche im ersten Längsabschnitt ist mit Nanopartikeln versehen. Es wird neben der Bragg-Wellenlänge auch die Intensität gemessen. Somit lässt sich ein Schallsignal quasi doppelt erfassen. Es versteht sich von selbst, dass der Bragg-Sensor, der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen System genutzt wird, entsprechend aufgebaut sein kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems schlägt vor, dass zumindest in einem Teilbereich eine Oberflächenschicht auf dem Lichtwellenleiter aufgebracht ist, wobei die Oberflächenschicht so ausgestaltet ist, dass das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter bezüglich der jeweils zu messenden Prozessgröße eine erhöhte Sensitivität aufweist. Beispielsweise werden für die Oberflächenschicht Nanopartikel verwendet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass in einer Wandung des Behältnisses eine Durchführung für den zumindest einen Lichtwellenleiter vorgesehen ist, wobei die Durchführung so ausgestaltet ist, dass zumindest einer der beiden Endbereiche des zumindest einen Lichtwellenleiters aus dem Behältnis herausgeführt ist. Die Durchführung ist so ausgestaltet, dass der Innenraum des Behältnisses gegenüber dem Außenraum abgedichtet ist. Der Lichtwellenleiter ist entweder unlösbar oder lösbar in der Durchführung angebracht.
Eine alternative Ausgestaltung sieht in einer Wandung des Behältnisses eine Koppelkomponente vor, die so ausgestaltet ist, dass zumindest einer der beiden Endbereiche des zumindest einen Lichtwellenleiters mit dem Koppelelement verbunden bzw. verbindbar ist.
Eine weitere Alternative schlägt vor, dass in der Wandung des Behältnisses zumindest ein Koppelbereich vorgesehen ist, wobei der Koppelbereich als für das/die optische(n) Eingangs- und Ausgangssignal(e) durchlässiges Fenster ausgestaltet ist. Zumindest einer der beiden Endbereiche des zumindest einen Lichtwellenleiters ist mit zumindest einer optischen Komponente, insbesondere einem Linsensystem, verbunden bzw. verbindbar. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass eine mechanische Entkopplung zwischen dem Lichtwellenleiter, der im Behältnis angeordnet ist, und den Elektronikkomponenten besteht.
Weiterhin wird in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung vorgeschlagen, dass der zumindest eine Lichtwellenleiter mit dem zumindest einen Faser-Bragg-Gitter zumindest teilweise auf einem Substrat angeordnet ist oder zumindest teilweise in ein Substrat integriert ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wandung des Behältnisses zumindest teilweise aus dem Substrat gefertigt ist oder mit dem Substrat beschichtet ist. Weiterhin wird angeregt, dass die Empfangseinheit, bei der es sich z.B. um einen photoelektrischen Konverter handelt, und/oder die Auswerteinheit auf dem Substrat angeordnet oder in das Substrat integriert sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sind die Signalerzeugungseinheit und die Empfangs-/Auswerteinheit und somit die empfindlichen elektronischen/elektrischen Komponenten des Systems - außerhalb des Behältnisses und damit außerhalb des Prozesses angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist ein Leitsystem vorgesehen, mit dem die Auswerteeinheit in Kommunikationsverbindung steht. Die Kommunikation kann drahtgebunden oder drahtlos über Funk erfolgen.
Um uneingeschränkt in allen Anwendungen der Automatisierungstechnik eingesetzt werden zu können, ist die Leistung der optischen Eingangssignale, die auf den zumindest einen Lichtwellenleiter eingekoppelten werden, so bemessen, dass sie unterhalb der für einen explosionsgefährdeten Bereich maximal zulässigen Leistung liegt. Für den Fall, dass nicht nur der Lichtwellenleiter sondern auch die elektrischen/elektronischen Komponenten des Systems innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet sind, sind die Komponenten so ausgestaltet, dass die Leistung zum Betreiben der Komponenten unterhalb der maximal für den explosionsgefährdeten Bereich zulässigen Leistung liegt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems,
1a: den in 1 gezeigten Ausschnitt A in vergrößerter Darstellung,
2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Faser-Bragg-Sensors,
2a: den in 2 gezeigten Ausschnitt B in vergrößerter Darstellung

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums 1, das in einem Behältnis 2 angeordnet ist. Bei dem Behältnis 2 handelt es sich im gezeigten Fall um einen beutelförmigen, flexiblen Behälter, z.B. um einen Einweg- oder Wegwerfbeutel. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung in Verbindung mit allen möglichen Behältnisse 2 eingesetzt werden kann.
Das erfindungsgemäße System umfasst einen optischen Faser-Bragg-Sensor 3 mit einem Faser-Bragg-Sensor 3, der einen Lichtwellenleiter 4 mit zumindest einem als Filterelement dienenden Faser-Bragg-Gitter 5 aufweist. Wie in 1a zu sehen ist, besteht der Lichtwellenleiter aus einem Kern 9 (Core) und einem Mantel 10 (Cladding). Der Mantel 10 umschließt den Kern zumindest teilweise. Damit sich die elektromagnetischen Eingangssignale bzw. das Licht möglichst verlustfrei in dem Kern ausbreiten, hat das Material, aus dem der Kern 9 besteht, einen höheren Brechungsindex als das Material, aus dem der Mantel 10 besteht.
Ein Teilabschnitt TA des Lichtwellenleiters 4 ist innerhalb des Behältnisses 2 angeordnet. In einer nicht gesondert dargestellten Alternativen ist der Lichtwellenleiter 4 in der Wandung 8 des Behältnisses 2 angeordnet und somit integraler Teil des Behältnisses 2. Der im Innenraum bzw. im Innern des Behältnisses 2 verlaufende Teilbereich TA des Lichtwellenleiters 4 bzw. der mit dem Medium 1 wechselwirkende Teilbereich TA des Lichtwellenleiters 4 ist so ausgestaltet, dass das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter 5 - im gezeigten Fall ist eine Gruppe von zwei Faser-Bragg-Gittern 5 und ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter 5 dargestellt - von der zumindest einen zu bestimmenden Prozessgröße des Mediums 1 beeinflusst wird. Die in definierten Abständen im Lichtwellenleiter 4 angeordneten Faser-Bragg-Gitter-Gruppen bzw. Faser-Bragg-Gitter 5 sind so ausgestaltet, dass selektiv zumindest zwei unterschiedliche Prozessgrößen bestimmbar sind. Unterschiedliche Ausgestaltungen von Faser-Bragg-Sensoren 3 zur Bestimmung oder Überwachung unterschiedlicher Prozessgrößen sind bereits zuvor beschrieben worden und in dem zitierten Stand der Technik im Detail offenbart.
Von der Signalerzeugungseinheit 6, bevorzugt einer breitbandigen Lichtquelle, wird zumindest ein optisches Eingangssignal erzeugt und auf den Lichtwellenleiter 4 einkoppelt. Weiterhin ist eine Empfangseinheit 7 vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass sie aus dem einen Lichtwellenleiter 4 zumindest ein optisches wellenlängencodiertes Ausgangssignal empfängt und in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Anhand des zumindest einen elektrischen Ausgangsignals bestimmt eine Auswerteeinheit 8 die zumindest eine Prozessgröße.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems, sind die elektrischen/elektronischen Komponenten Signalerzeugungseinheit 6, Empfangseinheit 7 und Auswerteeinheit 17 außerhalb des Behältnisses 2 angeordnet. Der Lichtwellenleiter 4 ist über eine Durchführung 12 oder eine Koppelkomponente 13 fest oder lösbar mit dem Behältnis 2 verbunden. Auswerteeinheiten 8 zur Bestimmung oder Überwachung der Prozessgröße(n) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im gezeigten Fall kommuniziert die Auswerteeinheit 17 mit einer entfernt angeordneten Leitwarte 18 über Funk. Selbstverständlich ist auch einen drahtgebundene Kommunikation möglich. Alternativ können alle oder zumindest ein Teil der elektrischen/elektronischen Komponenten, 6, 7, 17 beliebig weit von dem Behältnis 2 entfernt angeordnet sein, indem der Lichtwellenleiter entsprechend dimensioniert wird. Wie bereits zuvor erwähnt, ist es auch bekannt über entsprechende Ankoppelungen eine Vielzahl von Lichtwellenleitern 4 über -z.B. nur- eine Signalerzeugungseinheit 6, Empfangseinheit 7 und Auswerteeinheit 17 zu bedienen. Gleichzeitig können so von einer Auswerteeinheit 17 die Prozessgrößen von unterschiedlichen Behältnissen 2 bzw. Chargen bestimmt oder überwacht werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums 1, das in einem Behältnis 2 angeordnet ist. Nachfolgend wird nur auf die Systemkomponenten Bezug genommen, in denen sich die in 2 gezeigte Ausführungsform von der in 1 gezeigten Ausführungsform unterscheidet.
Wie aus 2a, die den in 2 gekennzeichneten Ausschnitt B in vergrößerter Darstellung zeigt, ersichtlich ist, ist der im Behältnis 2 angeordnete Teilabschnitt TA des Lichtwellenleiters 4 so ausgestaltet, dass zumindest ein Faser-Bragg-Gitter 5 zwecks Bestimmung einer Prozessgröße des Mediums 1 über ein evaneszentes Feld mit dem Medium 1 in Wechselwirkung tritt. Im dargestellten Fall ist in dem Teilbereich TB eine Oberflächenschicht 11 auf den Lichtwellenleiter 4 aufgebracht. Die Oberflächenschicht 11 ist optional und so ausgestaltet, dass das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter 5 bezüglich der zu messenden oder zu überwachenden Prozessgröße eine erhöhte Sensitivität aufweist.
Der im Behältnis 2 angeordnete Teilabschnitt TA des Lichtwellenleiters 4 ist mit seinem Endbereich EB mit dem Koppelbereich 14 verbunden. Dieser Koppelbereich 14 ist so ausgestaltet, dass er für die Strahlung bzw. das Licht, das in dem Lichtwellenleiter 4 geführt wird, transparent ist. Die optische Einkopplung des Lichts zwischen dem Teilabschnitt TA des Wellenleiters 4 in dem Behältnis 2 und dem Wellenleiter 4 außerhalb des Behältnisses 2 erfolgt über zumindest eine optische Komponente 15, z.B. eine Linse. Wie bereits zuvor erwähnt, kann der Teilabschnitt TA je nach Mess- oder Überwachungsaufgabe auf oder in einem Substrat 16 angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

1: Medium
2: Behälter
3: Faser-Bragg-Sensor
4: Lichtwellenleiter
5: Faser-Bragg-Gitter
6: Signalerzeugungseinheit
7: Empfangseinheit
8: Wandung
9: Kern
10: Mantel
11: Oberflächenschicht
12: Durchführung
13: Koppelkomponente
14: Koppelbereich
15: Optische Komponente
16: Substrat
17: Auswerteeinheit
18: Leitsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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EP 1068686 B1 [0011]
EP 1826545 A1 [0012]
WO 2006/079466 A1 [0014]
DE 102012221067 A1 [0015]
DE 102012214441 A1 [0015]
DE 102012222460 A1 [0015]
DE 102010001197 A1 [0015]
DE 102013205205 A1 [0015]
DE 102011017622 B3 [0016]
DE 102014220040 A1 [0027]

Claims

System zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (1), das in einem Behältnis (2) angeordnet ist, umfassend zumindest einen optischen Faser-Bragg-Sensor (3) mit einem Lichtwellenleiter (4) mit zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (5), zumindest eine Signalerzeugungseinheit (6), die so ausgestaltet ist, dass sie zumindest ein optisches Eingangssignal erzeugt und auf den zumindest einen Lichtwellenleiter (4) einkoppelt, zumindest eine Empfangseinheit (7), die so ausgestaltet ist, dass sie aus dem zumindest einen Lichtwellenleiter (4) zumindest ein optisches Ausgangssignal empfängt und in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt, und eine Auswerteeinheit, die anhand des zumindest einen elektrischen Ausgangsignals die zumindest eine Prozessgröße bestimmt, wobei zumindest ein Teilabschnitt (TA) des zumindest einen Lichtwellenleiters (4) innerhalb des Behältnisses (2) oder in der Wandung (8) des Behältnisses (2) angeordnet ist, und wobei der Teilabschnitt (TA) des zumindest einen Lichtwellenleiters (4) so ausgestaltet ist, dass das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter (5) von der zumindest einen zu bestimmenden Prozessgröße des Mediums (1) beeinflusst wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter (4) einen Kern (9) und einen den Kern (9) zumindest teilweise umschließenden Mantel (10) aufweist, wobei das Material, aus dem der Kern (9) besteht, einen höheren Brechungsindex aufweist als das Material, aus dem der Mantel (10) besteht.
System nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter (4) aus einer Faser (9) besteht, wobei das Fasermaterial einen größeren Brechungsindex aufweist als das mit dem zumindest einen Faser-Bragg-Gitter (5) wechselwirkende Medium (1).
System nach zumindest einem der Ansprüche 1-3, wobei der Lichtwellenleiter (4) in definierten Abständen Bragg-Gitter-Gruppen enthält, wobei eine Faser-Bragg-Gitter-Gruppe so ausgestaltet ist, dass selektiv zumindest zwei unterschiedliche Prozessgrößen bestimmbar sind.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtwellenleiter (4) so ausgestaltet ist, dass zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (5) oder zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (5) der Faser-Bragg-Gitter-Gruppe zwecks Bestimmung einer Prozessgröße des Mediums (1) über ein evaneszentes Feld mit dem Medium (1) in Wechselwirkung tritt.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, wobei zumindest in einem Teilbereich (TB) eine Oberflächenschicht (11) auf den Lichtwellenleiter aufgebracht ist, wobei die Oberflächenschicht (11) so ausgestaltet ist, dass das zumindest eine Faser-Bragg-Gitter (5) bezüglich der zumessenden Prozessgröße eine erhöhte Sensitivität aufweist.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei in einer Wandung (8) des Behältnisses (2) eine Durchführung (12) für den zumindest einen Lichtwellenleiter (4) vorgesehen ist, wobei die Durchführung (12) so ausgestaltet ist, dass zumindest einer der beiden Endbereiche (EB) des zumindest einen Lichtwellenleiters (4) aus dem Behältnis (2) herausgeführt ist.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei in einer Wandung (8) des Behältnisses (2) eine Koppelkomponente (13) vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass zumindest einer der beiden Endbereiche (EB) des zumindest einen Lichtwellenleiters (4) mit der Koppelkomponente (13) verbunden bzw. verbindbar ist.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei in der Wandung (8) des Behältnisses (2) zumindest ein Koppelbereich (14) vorgesehen ist, wobei der Koppelbereich (14) als für das/die optische(n) Eingangs- und Ausgangssignal(e) durchlässiges Fenster ausgestaltet ist und wobei zumindest einer der beiden Endbereiche (EB) des zumindest einen Lichtwellenleiters (4) mit zumindest einer optischen Komponente (15), insbesondere einem Linsensystem, verbunden bzw. verbindbar ist.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Lichtwellenleiter (4) mit dem zumindest einen Faser-Bragg-Gitter (5) zumindest teilweise auf einem Substrat (16) angeordnet ist oder zumindest teilweise in ein Substrat (16) integriert ist.
System nach Anspruch 10, wobei die Wandung (8) des Behältnisses (2) zumindest teilweise aus dem Substrat (16) gefertigt ist oder mit dem Substrat (16) beschichtet ist.
System nach zumindest einem der Ansprüche 1-11, wobei es sich bei der Empfangseinheit (7) um einen photoelektrischen Konverter handelt.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (7) auf dem Substrat (16) angeordnet ist oder in das Substrat (16) integriert ist.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-13, wobei die Signalerzeugungseinheit (6) und die Empfangs- und/oder Auswerteinheit (6, 17), außerhalb des Behältnisses (2) angeordnet sind.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Leitsystem (18) vorgesehen ist, mit dem die Auswerteeinheit (17) kommuniziert, wobei die Kommunikation drahtgebunden oder drahtlos erfolgt.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-15, wobei es sich bei dem Behältnis (2) um einen Einweg- bzw. Wegwerfbehälter handelt.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Medium (1) um ein fließfähiges Medium (Gas, Gasgemisch, Flüssigkeit, Granulat, Pulver, usw.) handelt.
System nach zumindest einem der Ansprüche 1-17, wobei der optische Faser-Bragg-Sensor (3) so ausgestaltet ist, dass er insbesondere zumindest eine der nachfolgend genannten physikalischen oder chemischen Prozessgrößen bestimmt: Temperatur, Druck, Füllstand, Durchfluss, mechanische Spannung, pH Wert, Trübung, Konzentration eines Stoffes, ein atomares oder molekulares Gas oder einen Anteil von zumindest einer Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperkomponente.
System nach zumindest einem der Ansprüche 1-18, wobei der optische Faser-Bragg-Sensor (3) so ausgestaltet ist, dass er die Farbe des Mediums bestimmt.
System nach zumindest einem der Ansprüche 1-19, wobei der optische Faser-Bragg-Sensor (3) so ausgestaltet ist, dass er zumindest einen Metaboliten oder die Konzentration eines Metaboliten bestimmt, wobei ein Metabolit ein Zwischenprodukt in einem biochemischen Stoffwechselprozess ist.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistung der optischen Eingangssignale, die auf den zumindest einen Lichtwellenleiter (4) eingekoppelten werden, so bemessen ist, dass sie unterhalb der für einen explosionsgefährdeten Bereich maximal zulässigen Leistung liegt.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Fall, dass die elektrischen/elektronischen Komponenten (6, 7, 17) des Systems innerhalb eines explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet sind, die Leistung zum Betreiben der Komponenten (6, 7, 17) so bemessen ist, dass sie unterhalb der maximal für den explosionsgefährdeten Bereich zulässigen Leistung liegt.