DE102017127191A1

DE102017127191A1 - Prozessanschluss mit integriertem Radarsensor mit hoher chemischer Beständigkeit

Info

Publication number: DE102017127191A1
Application number: DE102017127191.0A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Skowaisa; Clemens Hengstler
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prozessanschluss (1) zur Messung eines Füllstandes in einem Behälter (20) umfassend einen Stopfen (13) mit einer medienzugewandten Seite (15) und einer medienabgewandten Seite (16),
- wenigstens einen Radarsensor (10), der im Bereich der medienabgewandten Seite (16) angeordnet ist,
- wenigstens einen Hohlleiter (11), und
- wenigstens eine Antenne (12), die auf der medienzugewandten Seite (15) innerhalb des Stopfens (13) angeordnet ist,
- wobei der wenigstens eine Hohlleiter (11) den wenigsten einen Radarsensor (10) mit der wenigsten einen Antenne (12) verbindet, und
- wobei die medienzugewandte Seite (15) als eine für elektromagnetische Wellen durchlässige Kapsel (14) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozessanschluss mit integriertem Radarsensor mit einer hohen chemischen Beständigkeit, sowie eine Laboranordnung mit dem erfindungsgemäßen Prozessanschluss nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11.
Prozessanschlüsse für Radarsensoren zur Messung des Füllstandes in einem Behälter sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Prozessanschlüsse sind vielfach an Laboranordnungen oder Pilotanlagen in der Chemie an Behältern an standardisierten Anschlussöffnungen angeordnet, wobei die Behälter häufig aus chemisch hochbeständigem Glas hergestellt sind, um die Prozesse und Reaktionen beobachten zu können. Prozessanschlüsse für Radarsensoren sind typischerweise mit Flansch- oder Schraubverbindungen oder für Anwendungen im Lebensmittel- und Pharmabereich als Sterilanschluss, beispielsweise als Clampverbindung, ausgebildet. Im Stand der Technik erfolgt die Adaption der Radarsensoren an bestehende Behälter mittels entsprechender Adapter um die Standardanschlüsse der Radarsensoren, an die speziellen Anforderungen in der Laboranordnung oder Pilotanlage anzupassen. Insbesondere ist eine mechanische Adaption notwendig, um in Hinsicht auf die Druck-, Temperatur- und chemische Beständigkeit der Materialien den Anforderungen gerecht zu werden.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die Adaption des Radarsensors zur Messung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter einer Laboranordnung an einen herkömmlichen Prozessanschluss zeitaufwendig ist. In Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen sind die Adapter anwendungsorientiert zu individualisieren und somit unwirtschaftlich und fehleranfällig. Eine fehlerhafte Auswahl der Adapter kann einerseits zu einer Beeinflussung oder Verunreinigung der in dem Behälter durchgeführten Prozesse oder chemischen Reaktionen führen und andererseits zu einer fehlerhaften Erfassung des Füllstandes oder zu einer Beschädigung des Radarsensors führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Prozessanschluss für einen Radarsensor und zur Messung des Füllstandes in einem Behälter sowie eine Laboranordnung mit einem solchen Prozessanschluss zur Verfügung zu stellen, der unempfindlich gegenüber Druck, Temperatur und chemischen Einwirkungen und weiterhin einfach in der Handhabung ist. Darüber hinaus sollen reproduzierbare Messergebnisse gewähreistet sein und der Prozessanschluss kostengünstig in der Herstellung sein. Weiterhin soll der Prozessanschluss ein Höchstmaß an Arbeitssicherheit ermöglichen und höchste chemische Beständigkeit gewährleisten.
Diese Aufgaben werden durch den erfindungsgemäßen Prozessanschluss mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit der Laboranordnung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand anhängiger Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Prozessanschluss zur Messung eines Füllstandes in einem Behälter umfasst einen Stopfen mit einer medienzugewandten Seite und einer medienabgewandten Seite, wenigstens einen Radarsensor, der im Bereich der medienabgewandten Seite angeordnet ist, wenigstens einen Hohlleiter und wenigstens eine Antenne, die auf der medienzugewandten Seite innerhalb des Stopfens angeordnet ist. Der wenigstens eine Hohlleiter ist zwischen dem Radarsensor und der Antenne angeordnet und verbindet den wenigstens einen Radarsensor mit der wenigstens einen Antenne. Darüber hinaus ist die medienzugewandte Seite des Stopfens als eine für elektromagnetische Wellen durchlässige Kapsel ausgebildet, durch die der Stopfen auf der medienzugewandten Seite gas- und flüssigkeitsdicht, sowie chemisch hochbeständig verschlossen ist. Der Radarsensor weist typischerweise eine Signalverarbeitung auf durch die die Auswertung der Füllstandmessungen erfolgt, sowie elektrische Anschlüsse mittels derer der Radarsensor mit einer Spannungsquelle verbunden ist und durch die die Messergebnisse ausgelesen werden können. Der Hohlleiter leitet verlustarm die elektromagnetischen Wellen zur Antenne, die eingerichtet ist, das Signal fokussiert auszusenden. Die medienzugewandten Seite des Stopfens bzw. die Kapsel ist schützend vor der Antenne angeordnet, so dass diese, aber auch der Hohlleiter und der Radarsensor vor Temperatur, Druck oder chemischen Einwirkungen geschützt sind.
Der Radarsensor, der Hohlleiter und die Antenne sind in den Prozessanschluss integriert, so dass dieser nach Art eines Blindstopfens besonders widerstandsfähig in Hinsicht auf Druck-, Temperatur- und chemische Beständigkeit ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Kapsel linsenförmig oder konisch ausgebildet. Durch die Form der Kapsel bzw. der medienzugewandten Seite des Stopfens ist die Signalfokussierung positiv beeinflusst und die Messgenauigkeit gesteigert.
Darüber hinaus kann der Stopfen aus Glas oder einem chemisch hochbeständigen Kunststoff hergestellt werden. Bevorzugter Werkstoff ist insbesondere Kieselglas, Borosilikatglas oder Silicatglas. Als Kunststoffe werden bevorzugt PTFE-Werkstoffe verwendet.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Stopfen konisch ausgebildet ist. Die zulaufende Form eignet sich besonders für konische Dichtsysteme, welche weit verbreitet und standardisiert in Laboranordnungen und Pilotanlagen in der Chemie verwendet werden.
Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, wenn die Kapsel aus Glas oder einem chemisch hochbeständigen Kunststoff hergestellt ist. Die Kapsel aus Glas, oder Kunststoffen wie z.B. PTFE kann ebenfalls so ausgebildet werden, dass eine zusätzliche Signalfokussierung erreicht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Stopfen und die Kapsel einstückig hergestellt werden. Der Stopfen und die Kapsel können aus dem gleichen Werkstoff oder aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden und miteinander stoffschlüssig verbunden werden, wodurch eine besonders gute Druck-, Temperatur- und chemische Beständigkeit erreicht wird.
Der Stopfen kann weiterhin aus einem keramischen Werkstoff oder einem hochbeständigen Metall hergestellt werden, wobei die Kapsel auf der medienzugewandten Seite in eine Aussparung in dem Stopfen eingeschmolzen ist und somit die Aussparung dicht verschließt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Stopfen eine geschliffene Mantelfläche aufweist, durch die ein bestmöglicher Schluss des Prozessanschlusses mit dem Behälter gewährleistet ist. Besonders bevorzugt sind dabei Normschliffe nach Kegelform.
Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, wenn der Stopfen einen Anschlag aufweist, durch den die Position des Prozessanschlusses in der Längsachse des Behälters bzw. dessen Anschlussöffnung vorgegeben ist. Der Anschlag kann als umlaufender Flansch an der äußeren Mantelfläche des Stopfens und senkrecht zu der Längsachse des Stopfens angeformt oder angearbeitet werden.
Der Radarsensor kann weiter bevorzugt an dem Stopfen austauschbar mittels seiner Standardanschlüsse oder sonstigen geeigneten Befestigungsmittel befestigt werden. Somit kann der Radarsensor bei einer Beschädigung oder anwendungsspezifisch ohne Weiteres ausgetauscht werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Laboranordnung bestehend aus einem Behälter mit mindestens einer Anschlussöffnung und mindestens einem Prozessanschluss. Die Anschlussöffnung ist bevorzugt ein standardisierter Anschluss, wobei der Stopfen des Prozessanschlusses mit der Form der Anschlussöffnung der Art korrespondiert, dass diese ordnungsgemäß verschlossen ist.
Weiterhin hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Behälter ein mindestens einwandiger Glasbehälter mit mindestens einer standardisierten Schliffhülse ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

1 eine erfindungsgemäße Laboranordnung bestehend aus einem Behälter und einem Prozessanschluss mit einem Radarsensor zur Erfassung des Füllstandes eines Mediums in dem Behälter.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 eine Laboranordnung 2 mit einem Prozessanschluss 1 zur Messung eines Füllstandes eines Mediums 3 in einem Behälter 20 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Die Laboranordnung 2 gemäß 1 umfasst den Behälter 20, der im Wesentlichen um eine Längsachse 6 rotationssymmetrisch ist und als ein Dreihals-Rundkolben ausgebildet ist. Der Behälter 20 weist drei Anschlussöffnungen 21, 22, 23 auf, wobei die mittlere Anschlussöffnung 21 koaxial zu der Längsachse 6 ausgerichtet ist und als Schliffhülse 25 ausgebildet ist. Die Schliffhülse 25 ist ein Normschliff in Kegelform nach DIN 12 242. Die Anordnung der Anschlussöffnungen 22, 23 sind dabei um die mittlere Anschlussöffnung 21 bzw. die Längsachse 6 in einem Winkel schräg nach außen geneigt, wobei jedoch die Anordnung und die Anzahl der Anschlussöffnungen 21, 22, 23 beliebig variierbar ist.
Darüber hinaus umfasst die Laboranordnung 2 einen Prozessanschluss 1, der nach Art eines Blindstopfens entlang einer Längsachse 5 aus einem chemisch beständigen Glas hergestellt ist und durch den ein Radarsensor 10 in der Anschlussöffnung 21 zur Messung des Füllstandes eines Mediums 3 in dem Behälter 20 positioniert gehalten ist.
Der Prozessanschluss 1 besteht im Wesentlichen aus einem Stopfen 13 mit einer Mantelfläche 18, einer medienabgewandten Seite 16 und einer medienzugewandten Seite 15, die als Kapsel 14 ausgebildet ist. Der Stopfen 13, die Mantelfläche 18 sowie die Kapsel 14 sind koaxial zu der Längsachse 5 ausgebildet.
Darüber hinaus ist auf der Mantelfläche 18 des Stopfens 13 ein Anschlag 17 angeformt oder angearbeitet, der als umlaufender Absatz oder Flansch senkrecht zur Längsachse 5 ausgebildet ist. Der Anschlag 17 gibt die Position in der Längsachse 6 in der Anschlussöffnung 21 des Behälters 20 vor. Durch den Anschlag 17 ist somit gewährleistet, dass der Prozessanschluss 1 reproduzierbar in der Anschlussöffnung 21 positionierbar ist.
Der Stopfen 13 korrespondiert mit der Form der Aufnahmeöffnung 21 bzw. Schliffhülse 25 und ist entsprechend kegelförmig als Normschliff mit einer Steigung von 1:20 ausgebildet.
Der Prozessanschluss 1 umfasst neben dem Radarsensor 10 einen Hohlleiter 11 und eine Antenne 12. Der Hohlleiter 11 und die Antenne 12 sind innerhalb des Stopfens 13 angeordnet und koaxial zu der Längsachse 5 ausgerichtet.
Der Radarsensor 10 ist mit einer Signalverarbeitung zur Erfassung des Füllstandes versehen und auf der medienabgewandten Seite 16 angeordnet. Dort sind ebenfalls die elektrischen Anschlüsse des Radarsensors 10 positioniert, so dass diese zur Verbindung mit einer Spannungsquelle und zur Datenübertragung der Messwerte der Füllstandmessung zugänglich sind.
Der Hohlleiter 11 verbindet die Antenne 12 mit dem Radarsensor 10 und ist eingerichtet, die elektromagnetischen Wellen möglichst verlustarm zwischen dem Radarsensor 10 und der Antenne 12 zu übertragen. Die Antenne 12 und die Kapsel 14 fokussieren die Signale derart, dass die Füllstandmessung in der Längsachse 6 bzw. der Längsachse 5 erfolgt. Hierzu ist insbesondere die Kapsel 14 linsenförmig aus einem für elektromagnetische Wellen durchlässigen Werkstoff ausgebildet.
Der Stopfen 13 und die Kapsel 14 schützen die Antenne 12, den Hohlleiter 11 und den Radarsensor 10, wodurch der Prozessanschluss 1 eine besonders hohe chemische Beständigkeit gewährleistet. Diese Beständigkeit wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Stopfen 13 und die Kapsel 14 im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem chemisch beständigen Glas einstückig hergestellt sind. Die empfindlichen Bauteile werden somit vor dem Medium 3 in dem Behälter 20 sowie vor Druck- und Temperatureinwirkungen geschützt.
Die verwendeten Werkstoffe für den Stopfen 13 und die Kapsel 14 können identisch sein, jedoch sind auch unterschiedliche Materialpaarungen realisierbar. Unter anderem kann der Stopfen 13 aus Keramik oder einem hochbeständigen Metall hergestellt werden. Die Kapsel 14 kann aus Glas oder einem Kunststoff - beispielsweise PTFE - geformt sein. Bei der Verwendung von Kunststoffen wie z.B. PTFE kann die Oberfläche des Antennensystems ebenfalls so ausgebildet werden, dass eine zusätzliche Signalfokussierung entsteht.
Auch Keramikwerkstoffe oder hochbeständige Metalle können zur Herstellung des Stopfens 13 verwendet werden. Auf der medienzugewandten Seite 15 ist bei einem solchen Stopfen 13 eine Aussparung vorzusehen, in die die für elektromagnetische Wellen durchlässige Kapsel 14 eingeschmolzen oder eingesetzt werden kann. Durch das Einschmelzen der Kapsel 14 in die Aussparung auf der medienzugewandten Seite 15 des Stopfens 13 ist dieser bestmöglich abgedichtet, wodurch eine hohe Beständigkeit gewährleistet werden kann.
Somit kann erfindungsgemäß ein Prozessanschluss 1 für Radarsensoren 10 zur Messung des Füllstandes eines Mediums 3 in einem Behälter 20 bereitgestellt werden, der eine hohe chemische Beständigkeit aufweist, einfach und zuverlässig in der Anwendung ist, ein Höchstmaß an Arbeitssicherheit gewährleistet und kostengünstig in der Herstellung ist.
Bezugszeichenliste

1: Prozessanschluss
2: Laboranordnung
3: Medium
5: Längsachse von 1
6: Längsachse von 2
10: Radarsensor
11: Hohlleiter
12: Antenne
13: Stopfen
14: Kapsel
15: Medienzugewandte Seite
16: Medienabgewandte Seite
17: Anschlag
18: Mantelfläche
20: Behälter
21: Anschlussöffnung
22: Anschlussöffnung
23: Anschlussöffnung
25: Hülsenschliff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 12 242 [0021]

Claims

Prozessanschluss (1) zur Messung eines Füllstandes in einem Behälter (20) umfassend: - einen Stopfen (13) mit einer medienzugewandten Seite (15) und einer medienabgewandten Seite (16), - wenigstens einen Radarsensor (10), der im Bereich der medienabgewandten Seite (16) angeordnet ist, - wenigstens einen Hohlleiter (11), und - wenigstens eine Antenne (12), die auf der medienzugewandten Seite (15) innerhalb des Stopfens (13) angeordnet ist, - wobei der wenigstens eine Hohlleiter (11) den wenigsten einen Radarsensor (10) mit der wenigsten einen Antenne (12) verbindet, und - wobei die medienzugewandte Seite (15) als eine für elektromagnetische Wellen durchlässige Kapsel (14) ausgebildet ist.
Prozessanschluss (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (14) linsenförmig oder konisch ausgebildet ist.
Prozessanschluss (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (13) aus Glas oder aus einem chemisch hochbeständigen Kunststoff, insbesondere PTFE, hergestellt ist.
Prozessanschluss (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (13) konisch ausgebildet ist.
Prozessanschluss (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (14) aus Glas oder einem chemisch hochbeständigen Kunststoff hergestellt ist.
Prozessanschluss (1) nach einen der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (13) und die Kapsel (14) einstückig hergestellt sind.
Prozessanschluss (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (13) aus Keramik oder einem hochbeständigen Metall hergestellt ist, und dass die Kapsel (14) auf der medienzugewandten Seite (15) in eine Aussparung eingeschmolzen ist.
Prozessanschluss (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (13) eine geschliffene Mantelfläche (18), insbesondere einen Normschliff, aufweist.
Prozessanschluss (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (13) einen Anschlag (17) aufweist, der eingerichtet ist, die Position des Prozessanschlusses (1) in einer Längsachse (6) des Behälters (20) vorzugeben.
Prozessanschluss (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (10) auf der medienabgewandten Seite des Stopfens (13) austauschbar angeordnet ist.
Laboranordnung (2) bestehend aus einem Behälter (20) mit mindestens einer Anschlussöffnung (21) und mindestens einem Prozessanschluss (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche.
Laboranordnung (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (20) ein mindestens einwandiger Glasbehälter ist.