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Die Erfindung betrifft einen in eine Fluidleitung integrierbaren Inline-Sensor und ein Fluidleitungssystem.
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Fluidleitungssysteme können ein Gas- oder Flüssigkeitsleitungsnetz bilden, z.B. ein Gas- oder Trinkwasser-Versorgungsnetz. Unter einem Fluid wird hier und im Folgenden ein fließfähiges Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, eine Dispersion oder Suspension, ein Gas oder ein, ggfs. ein Aerosol umfassendes, Gas oder Gasgemisch, verstanden. Fluidleitungssysteme können auch Bestandteile einer Prozessanlage in der Prozessindustrie sein. In diesem Fall werden in den Fluidleitungen Prozessfluide, z.B. Prozessflüssigkeiten oder Prozessgase transportiert. Die Prozessfluide können beispielsweise zur Produktion eines Prozessprodukts, z.B. eines medizinischen Wirkstoffs, eines lebensmitteltechnischen Produkts oder eines chemischen Produkts dienen. Prozessfluide können auch zu behandelte Flüssigkeiten, z.B. aufzubereitendes Wasser, oder in einem solchen Behandlungsprozess verwendete Reagenzien sein. Prozessfluide können auch Reinigungs- oder Desinfektionsmittel zur Reinigung des Fluidleitungssystems sein, die vor Beginn eines neuen Prozess-Zyklus durch das Fluidleitungssystem gespült werden. Weitere mögliche Prozessfluide sind Öl oder ÖI-Wassergemische, die im Bereich der Ölförderung/Ölaufbereitung oder in Ölversorgungs-Pipelines auftreten.
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Zum Transport von Fluiden durch ein Fluidleitungssystem werden Pumpen oder Mittel zur Erzeugung eines Über- oder Unterdrucks in den Fluidleitungen im Zusammenspiel mit Ventilen verwendet. Unter einem Ventil werden hier und im Folgenden jegliche Arten von Sperrelementen, z.B. Sperrarmaturen, Hähne, oder sonstige Ventile verschiedenster Art, verstanden, die dazu dienen, einen Fluidtransport durch eine Fluidleitung wahlweise, d.h. je nach Stellung des Sperrelements, zu sperren oder freizugeben. Diese Ventile können, je nach Anwendung des Fluidleitungssystems, manuell oder automatisiert mittels einer Steuerung betätigbar ausgestaltet sein. In diesem letzteren Fall umfassen die Ventile von der Steuerung betätigbare Aktoren, die elektrische Signale der Steuerung in mechanische Bewegungen der Ventile umsetzen. Zur Überwachung der Qualität und Menge der durch die Fluidleitungen transportierten Fluide können in den Fluidleitungen Inline-Sensoren integriert sein. Diese können mit einer eventuell zur Betätigung der Ventile vorgesehenen Steuerung verbunden sein, um dieser Messdaten zur Verfügung zu stellen. Die Steuerung kann dazu ausgestaltet sein, die Messdaten zur Steuerung oder Regelung des Fluidtransports durch das Fluidleitungssystem zu verwenden, beispielsweise auch zum Zweck der Steuerung oder Regelung eines Prozesses in einer Prozessanlage, zu der das Fluidleitungssystem gehört.
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Solche Inline-Sensoren sind beispielsweise Temperatur-, Füllstands-, Durchfluss- und Analysesensoren. Die Inline-Sensoren umfassen neben dem Messwandler, der von der Messgröße abhängige Messsignale erzeugt, eine Messelektronik, die aus den Messsignalen Messwerte der Messgröße ermittelt. Die Messelektronik kann beispielsweise als mit dem Messwandler verbundener Transmitter oder Messumformer ausgestaltet sein. Üblicherweise umfassen Transmitter oder Messumformer eine Schnittstelle, an der sie die ermittelten Messwerte gemäß einem Standard-Kommunikationsprotokoll an eine übergeordnete Einheit, z.B. eine Steuerung wie die bereits erwähnte, ausgeben können. Ein Messumformer kann über ein Gehäuse mit Anzeige- und Eingabemitteln, z.B. in Form eines Displays, Eingabetasten oder -schaltem, verfügen.
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Ein Analysesensor umfasst im Allgemeinen einen Messwandler, der dazu ausgestaltet ist, ein von einer, insbesondere von einer Konzentration mindestens eines Analyten in einem Messfluid abhängigen, Analysemessgröße abhängiges Messsignal zu erzeugen. Unter einem Analyt versteht man eine oder mehrere in dem Messmedium enthaltene, insbesondere gelöste, Substanz oder Substanzen, deren Konzentration in dem Messfluid mittels des Analysesensors ermittelt bzw. überwacht werden soll.
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Beispiele für Füllstandsensoren sind Vibrationssensoren oder auf Kapazitäts- oder Leitfähigkeitsmessungen basierende Füllstandsensoren. Beispiele für Durchflusssensoren sind magnetisch-induktive Durchflusssensoren, auf dem Coriolis-Prinzip basierende Massedurchflusssensoren, Ultraschalldurchflusssensoren, thermische Durchflusssensoren oder Vortex-Durchflusssensoren. Beispiele für Analysesensoren sind Leitfähigkeitssensoren, insbesondere konduktive oder induktive Leitfähigkeitssensoren, Dichte- und Viskositätssensoren, pH-Sensoren, ionenselektive Elektroden, Gelöstsauerstoffsensoren, Trübungssensoren, Gassensoren, photometrische Sensoren, welche dazu ausgestaltet sind, anhand einer photometrischen Absorptionsmessung eine Konzentration einer im photometrischen Messpfad vorliegenden Substanz zu ermitteln, oder Spektrometer, insbesondere Raman-Spektrometer oder NIR-Spektrometer. Als Inline-Sensoren ausgestaltete Analysesensoren weisen ein in eine Fluidleitung integriertes Gehäuse auf. Der Messwandler dieser Sensoren ist in dem Gehäuse integriert, so dass er eine Messgröße eines in der Fluidleitung enthaltenen oder durch die Fluidleitung strömendes Fluid, in der Regel in Kontakt mit dem Fluid, erfassen kann. Die Messelektronik mit Messumformer- oder Transmitterfunktion kann in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Messwandler oder abgesetzt und mit dem Messwandler über ein Kabel verbunden sein.
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In Fluidleitungssystemen sind Druckstöße, d. h. jeweils über einen kurzen Zeitraum erfolgende, stoßartige Anstiege des in dem Fluidleitungssystem herrschenden Drucks, eine häufige Ursache von Schäden. Druckstöße werden auch als Druckschläge bezeichnet. Beispielsweise können die Fluidleitungen selbst, aber auch Ventile, Schwimmer, Stellglieder oder Armaturen durch solche Druckstöße beschädigt werden. Druckstöße treten typischerweise aufgrund von Kavitation oder bei zu schneller und/oder nicht synchronisierter Betätigung von Ventilen oder Armaturen in dem Leitungssystem auf. In der Regel ist keine Möglichkeit vorhanden, solche Druckstöße frühzeitig zu erkennen oder gar systematisch zu überwachen. Häufig werden Schäden daher lediglich symptomatisch, z.B. bei Vorliegen einer Fehlfunktion, oder im Zuge regelmäßiger Wartungsarbeiten an dem Fluidleitungssystem erkannt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Registrierung und/oder Überwachung von in einem Fluidleitungssystem auftretenden Druckstößen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Inline-Sensor gemäß Anspruch 1 und das Fluidleitungssystem gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Inline-Sensor, umfasst:
- - ein Gehäuse, das in einer Wandung einer Fluidleitung oder eines Behälters fixierbar ist;
- - einen in dem Gehäuse integrierten ersten Messwandler zur Erfassung einer Primärmessgröße eines in der Fluidleitung oder dem Behälter enthaltenen Mediums, der dazu ausgestaltet ist, von der Primärmessgröße abhängige erste Messsignale zu erzeugen; und
- - eine Sensorelektronik, die mit dem ersten Messwandler zur Erfassung der ersten Messsignale verbunden ist, und die dazu ausgestaltet ist, die ersten Messsignale zu verarbeiten;
wobei der Inline-Sensor zusätzlich dazu ausgestaltet ist, in der Fluidleitung oder dem Behälter auftretende Druckstöße zu erfassen.
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In Fluidleitungen oder in Behältem der eingangs beschriebenen Fluidleitungssysteme sind häufig Inline-Sensoren vorgesehen, um den Fluidtransport oder Fluid-Messgrößen, z.B. die Fluidzusammensetzung, zu überwachen und ggfs. zu steuern oder zu regeln. Indem ein solcher Inline-Sensor selbst dazu ausgestaltet wird, zusätzlich zur Primärmessgröße Druckstöße oder Druckschläge zu erfassen, wird kein zusätzlicher Anschluss für einen weiteren Sensor zur Erfassung von Druckstößen oder Druckschlägen, z.B. einen zusätzlichen Drucksensor, benötigt. Dies erlaubt eine einfache Installation einer solchen Druckstoß-Überwachung und insbesondere auch eine einfache Nachrüstung für Fluidleitungssysteme in bereits bestehenden Anlagen, da zur Druckstoß- bzw. Druckschlagüberwachung die bereits vorhandenen Messstellen und Kommunikations-Infrastruktur, die ohnehin bereits für die Überwachung von Fluid-Messgrößen vorgesehen ist, auch zur Druckstoß-Überwachung genutzt wird.
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Der Inline-Sensor kann zum Erfassen von Druckstößen einen in dem Gehäuse integrierten zweiten Messwandler zur Erfassung einer Sekundärmessgröße aufweisen, der dazu ausgestaltet ist, von der Sekundärmessgröße abhängige zweite Messsignale zu erzeugen, wobei eine auf das Gehäuse einwirkende Druckänderung, insbesondere ein Druckstoß, die Sekundärmessgröße beeinflusst. Durch die Integration des zweiten Messwandlers zur Erfassung einer den Druckstoß wiederspiegelnden Sekundärmessgröße in das Gehäuse des Inline-Sensors ist nur ein einziger mechanischer Anschluss an die Fluidleitung erforderlich, um sowohl die Primärmessgröße zu überwachen als auch Druckstöße zu erfassen und zu registrieren.
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Der zweite Messwandler kann beispielsweise ein Drucksensor, ein Beschleunigungssensor, z.B. ein 3D-Beschleunigungssensor, ein Dehnungsmesstreifen oder ein Lagesensor, z.B. ein kapazitiver Lagesensor, sein. Als Lagesensor kommt auch ein GPS-Sensor als satellitengestützter Lagesensor oder ein Magnetometer in Frage. Als Beschleunigungssensor können neben den besonders gut verfügbaren und für den erfindungsgemäßen Zweck besonders geeigneten 3D-Beschleunigungssensoren auch kapazitive oder nach dem Piezoeffekt arbeitende Beschleunigungssensoren verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der zweite Messwandler ein MEMS-Sensor (MEMS = microelectromechanical system), z.B. ein MEMS-Drucksensor oder ein MEMS-Beschleunigungssensor, sein. Solche Sensoren weisen nur einen geringen Platzbedarf auf und können vorteilhaft in oder an der Wandung von Gehäusen herkömmlicher Inline-Sensoren angeordnet werden.
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Die Sensorelektronik kann mindestens teilweise in dem den ersten Messwandler umfassenden Gehäuse angeordnet sein. In einer möglichen Ausgestaltung kann sie vollständig in diesem Gehäuse angeordnet sein. Alternativ kann sie in einen in diesem Gehäuse integrierten ersten Teil der Sensorelektronik und einen in einem zweiten Gehäuse angeordneten, beispielsweise vom den ersten Messwandler umfassenden Gehäuse abgesetzten, zweiten Teil der Sensorelektronik aufgeteilt sein. Der zweite Teil der Sensorelektronik kann drahtlos per Funk oder über eine induktive, kapazitive oder optische Kopplung und/oder kabelgebunden mit dem ersten Teil der Sensorelektronik verbunden sein.
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Der zweite Messwandler kann beispielsweise derart in das Gehäuse integriert sein, dass er innerhalb einer in dem Gehäuse gebildeten Kammer oder in oder an einer Wand des Gehäuses fixiert angeordnet ist. Ein Dehnungsmessstreifen, ein Beschleunigungssensor oder ein Lagesensor können beispielsweise an einer Innen- oder Außenseite der Wand des Gehäuses fixiert sein oder im Inneren der Wand eingekapselt, z.B. eingegossen oder eingespritzt, sein. Handelt es sich bei dem Inline-Sensor um einen potentiometrischen Sensor mit einer Bezugselektrode, kann der zweite Messwandler innerhalb einer in dem Gehäuse als Bezugselektrodengehäuse dienenden Kammer angeordnet sein, die über eine Überführung, z.B. einen Spalt oder ein Diaphragma, mit der Fluidleitung kommuniziert, so dass in der Fluidleitung auftretende Druckstöße auch innerhalb der Kammer erfassbar sind.
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In Ausgestaltungen, in denen mindestens ein Teil der Sensorelektronik in dem Gehäuse des Inline-Sensors angeordnet ist, kann in dem Gehäuse eine gegen das Eindringen von Flüssigkeit und/oder Feuchtigkeit verschlossene Elektronik-Kammer gebildet sein. Die Elektronik-Kammer kann beispielsweise Teil eines Sensor-Steckkopfs sein, der als erstes Kupplungsteil mit einem zweiten, komplementären Kupplungsteil zur Bildung einer Steckverbindung mechanisch koppelbar ist. Das zweite Kupplungsteil kann in dieser Ausgestaltung über ein Kabel mit einem weiteren Teil der Sensorelektronik oder einer übergeordneten Datenverarbeitungseinheit verbunden sein, so dass die Steckverbindung gleichzeitig eine Verbindung der Teile der Sensorelektronik bzw. der Sensorelektronik mit der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit herstellt. Die Steckverbindung kann entweder einen galvanischen Kontakt oder eine induktive, kapazitive oder optische Kopplung zwischen den über die Steckverbindung verbundenen Teilen der Sensorelektronik oder der Sensorelektronik mit der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit herstellen. Dies erlaubt einen Austausch von Energie und Daten über die Steckverbindung. In diesen Ausgestaltungen kann der zweite Messwandler in der Elektronik-Kammer, insbesondere in dem Sensor-Steckkopf oder einem zum Sensor-Steckkopf komplementären Kupplungsteil der Steckverbindung, die die Teile der Sensorelektronik miteinander oder die Sensorelektronik mit der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit verbindendet, angeordnet sein.
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Die Sensorelektronik kann mit dem zweiten Messwandler zur Erfassung der zweiten Messsignale verbunden sein und dazu ausgestaltet sein, die zweiten Messsignale zu verarbeiten, z.B. zu digitalisieren und auszugeben. Vorteilhaft ist bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors, dass die Sensorelektronik zur Erfassung und zur weiteren Verarbeitung sowohl von Messsignalen des ersten als auch des zweiten Messwandlers eingerichtet ist. Dies erlaubt es, die Sensorelektronik so einzurichten, dass sie die verarbeiteten Messsignale über eine, insbesondere einzige, Kommunikationsschnittstelle ausgibt, die dazu ausgestaltet sein kann, drahtgebunden oder drahtlos mit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinheit, z.B. einem Messumformer oder einem Bediengerät zu kommunizieren. Beispielsweise können die Messsignale bzw. die verarbeiteten Messsignale über ein einziges Kabel an einen übergeordneten Messumformer ausgegeben werden, der seinerseits über dasselbe Kabel den Inline-Sensor mit Energie versorgt.
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Die Primärmessgröße kann eine Analysemessgröße eines in der Fluidleitung oder dem Behälter enthaltenen Messfluids, ein Massen- oder Volumendurchfluss des Messfluids durch die Fluidleitung oder den Behälter, eine Temperatur des Messfluids in der Fluidleitung oder dem Behälter oder ein Füllstand des Messfluids in der Fluidleitung in dem Behälter sein. Unter einer Analysemessgröße wird hier eine von einer Konzentration mindestens eines Analyten in einem Messfluid abhängige Messgröße verstanden. Die Primärmessgröße kann als Analysemessgröße z.B. eine Konzentration eines einzelnen Analyten, z.B. eine lonenkonzentration, eine Konzentration eines Gases, z.B. Sauerstoff, ein pH-Wert, eine Leitfähigkeit, eine Trübung oder eine Partikel- oder Gasblasen-Konzentration, ein Redoxpotential oder ein Summenparameter wie ein spektraler Absorptionskoeffizient (SAK) oder ein chemischer Sauerstoffbedarf des Messfluids sein.
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Wie bereits erwähnt, kann die Sensorelektronik mit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinheit drahtlos oder drahtgebunden zur Kommunikation verbunden sein, wobei die Sensorelektronik dazu ausgestaltet ist, mit der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit zu kommunizieren, insbesondere die ersten und zweiten Messsignale oder Signale, die aus den ersten und zweiten Messsignalen abgeleitete Informationen umfassen, an die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit auszugeben. Eine Verbindung der Sensorelektronik mit der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit kann beispielsweise in wieder lösbarer Weise mittels einer Steckverbinderkupplung herstellbar sein, die die Sensorelektronik mechanisch und elektrisch mit der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit verbindet. Die Steckverbinderkupplung kann zwei lösbar miteinander verbindbare Kupplungselemente, z.B. Stecker und Buchse, aufweisen, die im verbundenen Zustand entweder durch galvanische Kontakte oder durch eine induktive, kapazitive oder optische Kopplung zur Übertragung von Energie und Daten miteinander verbunden sind. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit kann ein Messumformer, eine Steuerung oder ein tragbares Bediengerät, z.B. ein tragbarer Computer, ein Smartphone, eine Smartwatch, ein Tablet oder ein sonstiges Smart-Device, sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit die Sensorelektronik mit Energie versorgen.
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Die Sensorelektronik kann dazu eingerichtet sein, aus den ersten Messsignalen, also den die Primärmessgröße repräsentierenden Signalen, Messwerte der Primärmessgröße in der physikalischen Einheit der Primärmessgröße zu ermitteln und diese anzuzeigen und/oder über eine Kommunikationsschnittstelle der Sensorelektronik auszugeben. Wenn die Sensorelektronik mit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinheit verbunden ist, kann sie die Messwerte an die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit ausgeben. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Sensorelektronik dazu eingerichtet sein, die ersten Messsignale oder die verarbeiteten, z.B. verstärkten und/oder digitalisierten, ersten Messsignale über die Kommunikationsschnittstelle beispielsweise an die übergeordnete Datenverarbeitung auszugeben. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit kann in dieser Ausgestaltung dazu eingerichtet sein, aus den von der Sensorelektronik empfangenen, ggfs. verarbeiteten ersten Messsignalen Messwerte der Primärmessgröße in der physikalischen Einheit der Primärmessgröße zu ermitteln. In beiden Ausgestaltungen erfolgt die Ermittlung der Messwerte aus den Messsignalen anhand einer Kalibrierfunktion, wobei Parameter der Kalibrierfunktion (z.B. Nullpunkt und Steigung einer Kalibriergeraden) in einem Speicher der Sensorelektronik und/oder in einem Speicher der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit hinterlegt sein können.
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Die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit können außerdem dazu eingerichtet sein, die zweiten Messsignale, beispielsweise einen zeitlichen Verlauf sequenziell erfasster zweiter Messsignale, auszuwerten um einen Druckstoß zu erkennen. Diese Druckstoßerkennung kann entweder vollständig von der Sensorelektronik oder vollständig von der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit durchgeführt werden oder es können einzelne Verfahrensschritte von der Sensorelektronik und einzelne Verfahrensschritte von der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit durchgeführt werden. Entsprechend der vorgesehenen Aufteilung umfassen die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit eine Auswertungssoftware, die von der Sensorelektronik bzw. der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit ausführbar ist, um aus dem zeitlichen Verlauf der zweiten Messsignale einen Druckstoß zu erkennen.
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Die Auswertungssoftware kann einen Algorithmus zur Klassifikation oder Erkennung der Druckstöße aus dem Verlauf der zweiten Messsignale umfassen. Beispielsweise kann die Auswertungssoftware ein Verfahren zur Erkennung eines Druckstoßes anhand einer Änderung der zweiten Messsignale innerhalb einer vorgegebenen kurzen Zeitspanne bzw. einer Ableitung des zeitlichen Verlaufs der zweiten Messsignale umfassen. Dies kann durch Vergleich mit mindestens einem entsprechenden bei einem Druckstoß erwarteten zeitlichen Verlauf, mit mindestens einer erwarteten Änderung der zweiten Messsignale innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne oder mit mindestens einer erwarteten Ableitung der zweiten Messsignale der zweiten Messsignale erfolgen. Diese erwarteten Daten können durch Vorversuche ermittelt und in einem Speicher der Sensorschaltung hinterlegt sein. Der Algorithmus kann alternativ oder zusätzlich auch dazu eingerichtet sein, Druckstöße anhand eines oder mehrerer Schwellenwertvergleiche zu erkennen. Wird beispielsweise die Änderung der zweiten Messsignale innerhalb einer vorgegebenen kurzen Zeitspanne oder eine Ableitung des zeitlichen Verlaufs der zweiten Messsignale überwacht, kann die Änderung oder Ableitung mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen werden. Eine Überschreitung dieses Schwellenwerts kann eine Identifizierung und Registrierung eines Druckstoßes auslösen. Die Auswertungssoftware kann alternativ oder zusätzlich Klassifikator-Algorithmen zur Erkennung der Druckstöße aus dem Verlauf der zweiten Messsignale umfassen.
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Steht der zweite Messwandler nicht unmittelbar im Kontakt mit dem in der Fluidleitung oder dem Behälter enthaltenen Fluid, z.B. wenn er innerhalb des Gehäuses des Sensors angeordnet ist, erfasst er den in der Fluidleitung oder dem Behälter auftretenden Druckverlauf nicht unmittelbar, sondern nur vermittelt über Teile des Gehäuses und ggfs. über in dem Gehäuse enthaltene Fluide. Dadurch kann der Druckverlauf gedämpft und/oder verzerrt werden, so dass die Messsignale des zweiten Messwandlers zwar noch qualitativ, aber nicht mehr quantitativ den tatsächlichen in der Fluidleitung oder in dem Behälter auftretenden Druckverlauf wiedergeben. Zur Kompensation der bei der Übertragung von Druckstößen über Gehäuse oder über sonstige Teile des Sensors auf den zweiten Messwandler auftretenden Einflüsse auf die Messsignale des zweiten Messwandlers kann die Auswertungssoftware des Sensors daher in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen Algorithmus umfassen, der eine dem zweiten Messwandler zugeordnete Übertragungskennlinie umfasst und diese bei der Auswertung der zweiten Messsignale zur Erkennung von Druckstößen berücksichtigt. Die Übertragungskennlinie kann eine Funktion sein, die einer Sequenz von Messsignalen einen Druckverlauf innerhalb der Fluidleitung oder des Behälters, in deren oder dessen Wandung der Sensor integriert ist, zuordnen. Die Übertragungskennlinie kann in Vorexperimenten ermittelt worden und in einem Speicher der Sensorelektronik hinterlegt sein. In dieser Ausgestaltung kann die Auswertungssoftware weiter dazu eingerichtet sein, anhand der Übertragungskennlinie einen Druckverlauf innerhalb der Fluidleitung oder des Behälters, in dessen Wandung der Sensor fixiert ist, zu ermitteln. Die Auswertungssoftware kann weiter dazu eingerichtet sein, diesen Druckverlauf auszuwerten, z.B. eine Intensität oder ein Maximum des Druckstoßes zu ermitteln.
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Die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit können einen Druckstoßzähler umfassen. Der Druckstoßzähler kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine gespeicherte Druckstoßzahl nach jedem erkannten Druckstoß um den Wert 1 zu erhöhen oder von einer maximal zulässigen Zahl von Druckstößen nach jedem erkannten Druckstoß den Wert 1 abzuziehen. Der Druckstoßzähler kann als von der Sensorelektronik und/oder der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit ausführbare Software realisiert sein.
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Die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit können beispielsweise dazu ausgestaltet sein, einen jeweils aktuellen Wert des erwähnten Druckstoßzählers mit einem Schwellenwert zu vergleichen und bei Über- oder Unterschreitung des Schwellenwerts ein Signal, insbesondere einen Alarm, auszugeben. Der Schwellenwert kann so festgelegt sein, dass er die über die Lebensdauer oder bis zu einer Wartung des Sensors zulässige Maximalzahl von Druckstößen angibt. Das Signal kann in diesem Fall einem Anwender die Information zur Verfügung stellen, dass eine Wartung oder ein Austausch des Sensors angezeigt ist. Der Schwellenwert oder ein weiterer Schwellenwert können so festgelegt sein, dass er eine Maximalzahl von Druckstößen angibt, nach der eine Wartung des Fluidleitungsnetzes, insbesondere der Ventile des Fluidleitungsnetzes, erforderlich ist, angibt. Das Signal zeigt in diesem Fall dem Anwender die Erforderlichkeit einer Wartung des Fluidleitungsnetzes an.
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Zur Sensordiagnose des Inline-Sensors können die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, anhand der zweiten Messsignale, insbesondere anhand einer aus den zweiten Messsignalen innerhalb einer Zeitspanne ermittelten Druckstoßzahl, einen Zustand des Inline-Sensors zu bestimmen. Beispielsweise können die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, anhand der zweiten Messsignale eine verbleibende Einsatzdauer des Inline-Sensors zu ermitteln.
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Handelt es sich bei dem zweiten Messwandler um einen Bewegungssensor, kann die Sensorelektronik dazu eingerichtet sein, zur Vorhersage einer Restlebensdauer oder eines Wartungsbedarfs des Sensors auch die von dem Bewegungssensor ermittelten Messsignale, die keinem Druckstoß entsprechen, also nicht zu einer Erkennung eines Druckstoßes führen, auszuwerten. Diese Messsignale repräsentieren beispielsweise Erschütterungen und/oder Schwingungen des Gehäuses, die ähnlich wie Druckstöße zu einer Schädigung des Sensors führen können. Handelt es sich bei dem zweiten Messwandler um einen Lagesensor, kann die Sensorelektronik dazu eingerichtet sein, auch eine Änderung der Sensororientierung, z.B. bezüglich der Wandung der Fluidleitung oder des Behälters, in der er fixiert ist, zu ermitteln.
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Zur Diagnose eines Fluidleitungssystems, in dem der Inline-Sensor installiert ist, können die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, anhand der zweiten Messsignale, insbesondere anhand einer aus den zweiten Messsignalen im Laufe des Betriebs des Inline-Sensors ermittelten Druckstoßzahl, einen Zustand des Fluidleitungssystems zu ermitteln.
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Die Sensorelektronik und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit können dazu eingerichtet sein, anhand der zweiten Messsignale eine Änderung des Schwingungsverhaltens der Fluidleitung, in der der Sensor fixiert ist, zu erkennen und bei Erkennen einer Änderung des Schwingungsverhaltens ein Warnsignal oder eine Warnmeldung auszugeben. Eine Änderung des Schwingungsverhaltens kann beispielsweise aus einer mechanischen Beschädigung des Fluidleitungssystems oder eine Verengung der Fluidleitung aufgrund unerwünschter Ablagerungen resultieren. Mittels der hier beschriebenen Analyse des Schwingungsverhaltens können solche Effekte frühzeitig erkannt und beseitigt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Fluidleitungssystem mit einer Vielzahl von Fluidleitungen, einen in mindestens einer der Fluidleitungen integrierten Inline-Sensor nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen; automatisch steuerbare Aktoren, die der Steuerung eines Transports eines oder mehrerer Fluide durch die Fluidleitungen dienen; und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, die Aktoren zu steuern, um das eine oder die mehreren Fluide durch die Fluidleitungen zu transportieren; wobei die Steuerung mit der Sensorelektronik des Inline-Sensors oder mit einer mit der Sensorelektronik des Inline-Sensors zur Kommunikation verbundenen übergeordneten Datenverarbeitungseinheit zur Kommunikation verbunden ist.
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Die Steuerung und/oder die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit können dazu eingerichtet sein, Informationen über in der Fluidleitung auftretende Druckstöße zu ermitteln. Die Steuerung kann weiter dazu eingerichtet sein, anhand der ermittelten Informationen die Aktoren so zu steuern, dass eine Häufigkeit und/oder Intensität von Druckstößen in dem Fluidleitungssystem verringert wird. Hierzu kann die Steuerung beispielsweise einen selbstlernenden Regler umfassen, der dazu ausgestaltet ist diejenigen Steuerungsparameter aufzufinden, die eine Minimierung der Häufigkeit und/oder Intensität von Druckstößen in dem Fluidleitungsnetz hervorrufen.
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Das Fluidleitungssystem kann eine Vielzahl von Fluidleitungen umfassen, in denen jeweils mindestens ein Inline-Sensor nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen angeordnet ist, wobei die Steuerung mit den Inline-Sensoren zur Kommunikation verbunden ist. Die Inline-Sensoren können eine Sensorelektronik aufweisen, die unmittelbar mit der Steuerung zur Kommunikation verbunden ist. Alternativ können einzelne oder alle Inline-Sensoren mit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinheit zur Kommunikation verbunden sein, die ihrerseits mit der Steuerung zur Kommunikation verbunden ist. Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, von den Inline-Sensoren bzw. den übergeordneten Datenverarbeitungseinheiten sowohl Messwerte der Primärmessgröße als auch Informationen über von den Inline-Sensoren registrierte Druckstöße zu erhalten und zu verarbeiten. Diese Informationen können insbesondere den Zeitpunkt und eine Intensität der jeweils von den Inline-Sensoren registrierten Druckstöße umfassen. Die Steuerung kann in diesem Fall dazu ausgestaltet sein, aus den empfangenen Informationen eine Verteilung der Druckstöße zu ermitteln und gegebenenfalls daraus den Ursprungsort des Druckstoßes zu ermitteln.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen induktiven Leitfähigkeitssensor, der einen Beschleunigungssensor und einen Dehnungsmessstreifen umfasst, um Druckstöße zu erfassen;
- 2 einen potentiometrischen pH-Sensor mit einer Bezugshalbzelle, in der ein der Erfassung von Druckstößen dienender Drucksensor integriert ist; und
- 3 einen Ausschnitt aus einem Fluidleitungsnetz mit einem Ventil und einem in einer Fluidleitung integrierten Analysesensor mit integriertem Drucksensor zur Erfassung von Druckstößen.
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In 1 ist als erstes Beispiel für einen Inline-Sensor schematisch ein induktiver Leitfähigkeitssensor 1 dargestellt, der in eine Wandung 2 einer Fluidleitung integriert ist. Der Leitfähigkeitssensor 1 weist ein im Wesentlichen zylindrisches, stabförmiges Gehäuse 3 aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. einem Kunststoff wie PEEK, PVDF oder PTFE auf. In dem Gehäuse ist ein erster Messwandler zur Erfassung von Messwerten der Leitfähigkeit eines in der Fluidleitung strömenden Fluids, im vorliegenden Beispiel einer Messflüssigkeit, auf. Der erste Messwandler umfasst zwei koaxial hintereinander angeordnete Ringspulen 4, die in 1 der Übersichtlichkeit halber nur gestrichelt angedeutet sind. Die Ringspulen 4 umgeben eine in dem Gehäuse 3 gebildete durchgehende Öffnung 5, die von der Messflüssigkeit durchströmt wird. Eine der Ringspulen 4 dient als Sendespule, die andere Ringspule 4 dient als Empfangsspule. Beide Ringspulen 4 sind mit einer im Gehäuse 3 angeordneten Sensorelektronik 5 verbunden, die zur Erzeugung von die Leitfähigkeit der Messflüssigkeit repräsentierenden Messsignalen, im Folgenden als Leitfähigkeitsmesssignale bezeichnet, dient. Zur Erzeugung von Leitfähigkeitsmesssignalen erzeugt die Sensorelektronik 5 mittels der Sendespule ein elektromagnetisches Wechselfeld, das auf geladene Teilchen in der Messflüssigkeit einwirkt und einen entsprechenden Stromfluss in der Messflüssigkeit hervorruft. Durch diesen Stromfluss entsteht an der Empfangsspule ein elektromagnetisches Wechselfeld, das in der Empfangsspule eine Induktionsspannung nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert. Diese Induktionsspannung wird von der Sensorelektronik 5 erfasst und dient als Leitfähigkeitsmesssignal. Die Sensorelektronik 5 ist dazu ausgestaltet die Leitfähigkeitsmesssignale zu verstärken und zu digitalisieren.
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Die Sensorelektronik 5 ist mit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 zur Kommunikation und zur Übertragung von Energie von der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 zur Sensorschaltung 5 verbindbar. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Verbindung mittels einer induktiven Steckverbinderkupplung 7, die eine galvanische Trennung zwischen der Sensorelektronik 5 und der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 gewährleistet. Die Sensorschaltung 5 umfasst eine Kommunikationsschnittstelle 8, die als Primärseite der Steckverbinderkupplung 7 dient. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 ist mit einem Kabel 9 verbunden. Das Kabel 9 weist eine zu der Kommunikationsschnittstelle 8 der Sensorschaltung 5 komplementäre Kommunikationsschnittstelle 10 auf, die als Sekundärseite der Steckverbinderkupplung 7 dient.
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Selbstverständlich kann die Verbindung zwischen der Sensorschaltung 5 und der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 auch untrennbar mittels eines Festkabels oder trennbar mittels einer Steckverbinderkupplung mit herkömmlichen galvanischen Kontakten realisiert sein. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 kann auch in einem unmittelbar auf die Primärseite der Steckverbinderkupplung 7 aufsteckbaren Gehäuse, das zusätzlich die Sekundärseite der Steckverbinderkupplung 7 umfasst, untergebracht sein. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit und die Sensorelektronik können auch in einer einzigen Elektronik, die direkt im Gehäuse 3 untergebracht ist, zusammengefasst sein. Es ist auch möglich, dass die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 und die Sensorschaltung 5 drahtlos miteinander kommunizieren. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 kann zur Kommunikation mit einem Bediengerät oder mit einer Steuerung, z.B. einer SPS, verbunden sein. Sie kann Eingabe- und Ausgabemittel umfassen, z.B. ein Display, das als Touchscreen ausgestaltet ist, und/oder Eingabe-Tasten oder -Schalter. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 kann ein Messumformer sein.
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Die Sensorschaltung 5 ist im vorliegenden Beispiel dazu eingerichtet, die digitalisierten Leitfähigkeitsmesssignale an die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 auszugeben. Sie kann von der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 Befehle, Parameter oder Softwaremodule empfangen und verarbeiten. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 ist dazu eingerichtet, die Leitfähigkeitsmesssignale zu verarbeiten und anhand einer in einem Speicher der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 hinterlegten Kalibrierfunktion aus den Leitfähigkeitsmesssignalen Messwerte der Leitfähigkeit zu ermitteln und auf einem Display anzuzeigen und/oder an ein Bediengerät oder eine Steuerung auszugeben.
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Der Inline-Sensor 1 ist dazu eingerichtet, zusätzlich zur voranstehend beschriebenen Leitfähigkeitsmessung auch auf den Inline-Sensor 1 einwirkende Druckstöße zu erfassen und zu registrieren. Im vorliegenden Beispiel umfasst der Inline-Sensor 1 hierzu einen Beschleunigungssensor 11. Dieser ist am vorderen Gehäuseende angeordnet, das in die Fluidleitung hineinragt. Bei einem in der Fluidleitung auftretenden Druckstoß wird das stabförmige Gehäuse 3 in Schwingung versetzt. Schwingungen machen sich am stärksten am vorderen Ende des Gehäuses 3 bemerkbar, daher ist diese Position des Beschleunigungssensors 11 besonders günstig. Der Beschleunigungssensor 11 ist im Inneren des Gehäuses 3 angeordnet und somit gegenüber der in der Fluidleitung strömenden Messflüssigkeit geschützt. Zur Erfassung der durch Druckstöße verursachten Gehäuseschwingungen kommen verschiedenste Ausgestaltungen des Beschleunigungssensors in Frage, z.B. 3D-Beschleunigungssensoren oder piezoelektrische Beschleunigungssensoren, insbesondere in MEMS-Technik, oder magnetisch-induktive Beschleunigungssensoren.
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Der Beschleunigungssensor 11 ist mit der Sensorschaltung 5 verbunden, die von der Beschleunigung, die der Beschleunigungssensor 11 erfährt, abhängige Messsignale des Beschleunigungssensors 11 erfasst und verarbeitet. Die Sensorschaltung 5 ist dazu eingerichtet, die Messsignale des Beschleunigungssensors zu verstärken und zu digitalisieren. Sie kann auch dazu eingerichtet sein, die Messsignale auszuwerten, um Rückschlüsse auf einen auf den Sensor 1 einwirkenden Druckstoß zu ziehen. Im vorliegenden Beispiel ist die Sensorschaltung 5 jedoch nicht zur weitergehenden Auswertung der Messsignale ausgestaltet, sondern sie ist dazu eingerichtet, die digitalisierten Messsignale an die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 auszugeben.
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Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 ist zur weiteren Verarbeitung der Messsignale des Beschleunigungssensors 11 eingerichtet. Sie umfasst dazu ein Auswertungsprogramm, das von der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 zur Auswertung der Messsignale ausgeführt wird. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 kann zur Registrierung eines Druckstoßes einen Verlauf der Messsignale des Beschleunigungssensors 11 ermitteln. Bei einem Druckstoß weist der Verlauf der Messsignale eine sprunghafte Änderung, beispielsweise einen starken Anstieg innerhalb einer kurzen Zeitspanne auf. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 kann daher die Änderung der zweiten Messsignale, z.B. in Form einer Ableitung eines Verlaufs der zweiten Messsignale als Funktion der Zeit, überwachen. Ist die Änderung der zweiten Messgröße innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne bzw. die Ableitung des zeitlichen Verlaufs der zweiten Messsignale größer als ein vorgegebener Schwellenwert, registriert die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 einen Druckstoß. Anhand des Betrags der Ableitung oder anhand eines Maximums des Verlaufs der Messsignale kann die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 außerdem eine Intensität des Druckstoßes ermitteln.
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Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 kann einen in Software gebildeten Druckstoßzähler umfassen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Druckstoßzähler auch in der Sensorelektronik enthalten sein. Bei jedem registrierten Druckstoß kann der Zähler um den Wert 1 hochgesetzt werden. In einem Speicher der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 6 können ein oder mehrere Schwellenwerte für die Anzahl der von dem Inline-Sensor 1 erfahrenen Druckstöße hinterlegt sein. Ein erster Schwellenwert kann beispielsweise so gewählt sein, dass der Sensor erfahrungsgemäß nach einer solchen Anzahl von Druckschlägen gewartet oder ausgetauscht werden sollte, da die Wahrscheinlichkeit einer die Funktionalität des Sensors beeinträchtigenden Beschädigung nach dieser Anzahl von Druckstößen nicht mehr gewährleistet werden kann. Es kann ein zweiter, niedrigerer Schwellenwert vorgegeben sein, der als Wamschwellenwert dient. Wird der Wamschwellenwert überschritten, kann die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 eine Warnung ausgeben, die einem Anwender vermittelt, dass der Sensor 1 bald ausgetauscht werden sollte. Anhand des Erreichens des Wamschwellenwerts kann die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 auch eine Restlebensdauer des Sensors 1 ermitteln und ausgeben. Bei Erreichen und Überschreiten des ersten Schwellenwerts kann die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 eine Fehlermeldung ausgeben, die dem Anwender vermittelt, dass der Sensor 1 nun ausgetauscht werden muss.
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Als Alternative zu einem Beschleunigungssensor kann der Inline-Sensor zur Erfassung von Druckstößen auch einen Drucksensor, einen Lagesensor oder einen Dehnungsmessstreifen umfassen. Im vorliegenden Beispiel ist exemplarisch zusätzlich zu dem Beschleunigungssensor 11 auf der Innenseite der Gehäusewand des Gehäuses 3 ein Dehnungsmesstreifen 12 angeordnet. Dieser kann als Alternative zum Beschleunigungssensor 11 oder, wie hier gezeigt, zusätzlich zum Beschleunigungssensor 11 vorgesehen sein. Er ist mit der Sensorelektronik 5 verbunden, so dass die Sensorelektronik 5 Messsignale des Dehnungsmessstreifens 12 erfassen und verarbeiten kann. Die Sensorelektronik 5 kann die verarbeiteten Messsignale wie die Messsignale des Beschleunigungssensors 11 an die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 6 zur weiteren Auswertung und zur Registrierung von Druckstößen ausgeben. Der Dehnungsmessstreifen kann in einer alternativen Ausgestaltung auch auf einer Außenseite des Gehäuses angebracht oder in die Gehäusewandung eingebettet, z.B. eingegossen oder umspritzt, sein.
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Bei Auftreten eines Druckstoßes in der Fluidleitung wird das stabförmige Gehäuse verformt und in Schwingungen versetzt. Messsignale des Dehnungsmessstreifens 12 können damit zur Erfassung von Druckstößen dienen. Die Sensorelektronik 6 kann hierzu ganz analog wie für die Messsignale des Bewegungssensors 11 bereits beschrieben, zur Auswertung eines Verlaufs der Messsignale des Dehnungsmessstreifens 12 ausgestaltet sein.
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In 2 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Inline-Sensors 101 zur Messung einer ersten Messgröße dargestellt, der zusätzlich zur Erfassung von Druckstößen ausgestaltet ist. Der Inline-Sensor ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel als potentiometrischer pH-Sensor ausgestaltet. Dieser weist ein im Wesentlichen zylindrisches, stabförmiges Gehäuse 103 aus einem isolierenden Material, z.B. Glas, auf, das in eine Wandung 102 einer Fluidleitung integriert ist. Das Gehäuse 103 umfasst zwei voneinander getrennte Kammern 121, 122, die jeweils eine Halbzelle des potentiometrischen pH-Sensors bilden. Die die Messhalbzelle bildende Kammer 121 weist ein erstes rohrförmiges Gehäuseteil 123 auf, das an seinem vorderen, zum Kontakt mit einem in der Fluidleitung strömenden Messfluid bestimmten Ende durch eine pH-sensitive Glasmembran 124 abgeschlossen wird. Rückseitig ist die Kammer 121 z.B. durch einen Verguss 129 flüssigkeitsdicht verschlossen. In der Kammer 121 ist ein Innenelektrolyt enthalten, z.B. eine gepufferte Kaliumchlorid-Lösung, die durch ein Polymer angedickt sein kann. Der Innenelektrolyt wird durch ein elektrisch leitendes Ableitelement 125 kontaktiert. Das Ableitelement 125 ist im vorliegenden Beispiel aus einem Silberdraht gebildet, der eine Silberchlorid-Beschichtung aufweist. Der Silberdraht ist rückseitig aus der Kammer 121 herausgeführt.
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Die die Bezugshalbzelle bildende Kammer 122 ist mittels eines koaxial um das rohrförmige Gehäuseteil 123 herum verlaufenden weiteren rohrförmigen Gehäuseteils 126 als zwischen den rohrförmigen Gehäuseteilen 123, 126 eingeschlossene Ringkammer gebildet. Vorderseitig wird die Kammer 122 durch ein ringförmig um die Messhalbzelle herum verlaufendes poröses Keramikdiaphragma 127 abgeschlossen. Das Keramikdiaphragma 127 dient als Überführung zur Herstellung eines elektrolytischen Kontaktes zwischen einem in der Kammer 122 aufgenommenen Bezugselektrolyten und dem Messfluid. Ein solcher Kontakt kann in alternativen Ausgestaltungen des pH-Sensors auch anstelle eines Diaphragmas mittels eines Spalts, einer Ausfluss-Junktur oder einer sonstigen Öffnung in der Wandung der Kammer 122 hergestellt werden. Der Bezugselektrolyt ist im vorliegenden Beispiel eine hoch konzentrierte Kaliumchlorid-Lösung, die optional mittels eines Polymers angedickt sein kann. In der Kammer 122 ist außerdem ein den Bezugselektrolyten kontaktierendes Bezugselement 128 angeordnet. Dieses ist im vorliegenden Beispiel wie das Ableitelement 125 aus einem mit Silberchlorid beschichteten Silberdraht ausgestaltet. Das Bezugselement 128 ist rückseitig aus der Kammer 122 herausgeführt, die an ihrem rückseitigen Ende mittels des Vergusses 129 flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
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Das Ableitelement 125 und das Bezugselement 128 sind elektrisch leitend mit einer Sensorelektronik 105 verbunden. Die Sensorelektronik 105 ist in einer in dem Gehäuse 103 gebildeten, von den elektrolytgefüllten Kammern 121, 122 getrennten Elektronikkammer angeordnet. Die Sensorelektronik 105 ist dazu ausgestaltet, eine sich in Kontakt der Halbzellen mit dem Messfluid zwischen den Halbzellen ausbildende pH-abhängige Spannung zu erfassen. Hierzu erfasst sie die Spannung zwischen dem Ableitelement 125 und dem Bezugselement 128. Diese Spannung dient als den pH-Wert des Messfluids repräsentierendes Messsignal.
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Im vorliegenden Beispiel ist die Sensorelektronik 105 über ein Kabel mit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinheit verbindbar. Diese Verbindung und die entsprechenden Kommunikationsschnittstellen können ganz analog ausgestaltet sein, wie zuvor anhand von 1 für die Sensorelektronik 5 des in 1 dargestellten Leitfähigkeitssensors beschrieben. Die Sensorelektronik 105 umfasst weiter eine Kommunikationsschnittstelle 130 für eine Kommunikation per Funk mit einem Bediengerät, z.B. nach einem Bluetooth Standard, insbesondere IEEE 802.15.1 Version 4.0, einem Wireless HART Standard, insbesondere IEEE 802.15.4, oder einem Wireless LAN Standard, insbesondere einer Norm der Familie IEEE 802.11.
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Die Sensorelektronik 105 kann dazu eingerichtet sein, die erfassten Messsignale zu verstärken und/oder zu digitalisieren und die verstärkten oder digitalisierten Messsignale über eine oder alle Kommunikationsschnittstellen auszugeben. Sie kann auch dazu eingerichtet sein, aus den Messsignalen Messwerte des pH-Werts zu ermitteln, z.B. anhand einer Kalibrierfunktion. Die Kalibrierfunktion kann beispielsweise eine Gerade sein, deren Parameter Nullpunkt und Steigung in einem Speicher der Sensorelektronik 105 hinterlegt sein können. Alternativ können übergeordnete Einheiten, z.B. eine über Kabel mit der Sensorelektronik 105 verbundene übergeordnete Elektronik oder ein per Funk mit der Sensorelektronik 105 kommunizierendes Bediengerät dazu eingerichtet sein, die Messwerte aus den Messsignalen zu ermitteln.
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Zur Erfassung von Druckstößen in der Fluidleitung umfasst der Inline-Sensor 101 einen zusätzlichen Drucksensor 131, der im hier gezeigten Beispiel in der die Bezugshalbzelle bildenden Kammer 122 angeordnet ist. Der Drucksensor ist an einem vorderen Ende einer aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Glas, bestehenden Kapillare 132 angeordnet. In der Kapillare 132 sind den Drucksensor 131 kontaktierende elektrische Leitungen 133 geführt, die mit der Sensorelektronik 105 verbunden sind. Da das Diaphragma 127 eine Vielzahl von Poren aufweist, kommuniziert der Innenraum der Kammer 122 mit dem Inneren der Fluidleitung, so dass Druckstöße in der Fluidleitung auch im Innenraum der Kammer 122 durch den Drucksensor 131 erfassbar sind. Vorteilhaft ist der Drucksensor 131 nahe am Diaphragma 127 angeordnet, um eine gute Übertragung der Druckstöße auf den Drucksensor 131 zu gewährleisten. Der Drucksensor 131 kann in bekannter Weise ausgestaltet sein, z.B. als kapazitiver, piezoresistiver, piezoelektrischer oder induktiver Drucksensor.
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Die Sensorelektronik 105 ist dazu ausgestaltet, die Messsignale des Drucksensors 131 zu erfassen und gegebenenfalls zu verarbeiten, z.B. zu verstärken und/oder zu digitalisieren. Ganz analog wie anhand des in 1 dargestellten Leitfähigkeitssensors mit Beschleunigungssensor beschrieben, kann die Sensorelektronik 105 selbst aus dem Verlauf der Messsignale des Drucksensors ermitteln, wann ein Druckstoß vorliegt. Alternativ kann sie die Messsignale an eine übergeordnete Einheit, z.B. die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit oder das übergeordnete Bediengerät ausgeben. In diesem Fall ist die übergeordnete Einheit dazu ausgestaltet, den Verlauf der Druck-Messsignale auszuwerten und anhand des Verlaufs auf das Vorliegen eines Druckstoßes zu schließen, beispielsweise wenn innerhalb einer vorgegebenen kurzen Zeitspanne eine erhebliche Änderung der Drucksignale auftritt.
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In 3 ist schematisch ein Ausschnitt aus einem Fluidleitungssyste, 200 dargestellt. Es kann beispielsweise Bestandteil einer Prozessanlage oder eines Fluid-Netzes, z.B. eines Abwasser- oder Trinkwassemetzes, sein. Das Fluidleitungssystem 200 umfasst eine erste Fluidleitung 240, die über ein Mehrwegeventil 241 mit einer zweiten Fluidleitung 242, einer dritten Fluidleitung 243 und einer vierten Fluidleitung 244 fluidisch verbindbar ist. Das Ventil 241 wird mittels eines oder mehrerer (nicht eingezeichneter) Aktoren betätigt. Diese sind von einer Steuerung 245 automatisch betätigbar.
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In dem Fluidleitungsnetz 200 sind außerdem mehrere Inline-Sensoren 246, 247, 248, 249 angeordnet, die dazu ausgestaltet sind, neben Messwerten einer Primärmessgröße, wie z.B. Durchfluss, Temperatur oder einer Analysemessgröße, in den Fluidleitungen 240, 242, 243 und 244 auftretende Druckstöße zu erfassen. Hierzu weisen die Inline-Sensoren 246, 247, 248, 249 neben einem ersten Messwandler zur Erfassung der Primärmessgröße einen zweiten Messwandler auf, der Messsignale erzeugt, welche durch einen in den Fluidleitungen auftretenden Druckstoß beeinflusst werden. Solche Messwandler können beispielsweise wie zuvor beschrieben Beschleunigungssensoren, Lagesensoren oder Drucksensoren sein.
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Die Inline-Sensoren 246, 247, 248, 249 sind über eine (hier nicht zusätzlich dargestellte) übergeordnete Datenverarbeitungseinheit mit der Steuerung 245 verbunden. Entsprechend sind die Sensoren 246, 247, 248, 249 dazu eingerichtet, mit der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit zu kommunizieren, während die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit zusätzlich zur Kommunikation mit der Steuerung 245 ausgestaltet ist. Die Inline-Sensoren 246, 247, 248, 249 sind dazu eingerichtet, die Messsignale des ersten und des zweiten Messwandlers oder aus diesen abgeleitete Messsignale an die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit auszugeben. Die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, aus den Messsignalen des ersten Messwandlers Messwerte der Primärmessgröße und aus den Messsignalen des zweiten Messwandlers das Auftreten eines Druckstoßes zu ermitteln. Die Ermittlung kann wie weiter vom beschrieben aus dem zeitlichen Verlauf der Messsignale abgeleitet werden.
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Stellt die übergeordnete Datenverarbeitungseinheit das Vorliegen eines Druckstoßes fest, registriert sie diesen Druckstoß zusammen mit einem Zeitpunkt der Erfassung des Druckstoßes und gegebenenfalls einer aus dem Verlauf der Messsignale abgeleiteten Intensität des Druckstoßes. Die Intensität kann beispielsweise einem Ausschlag des Messsignals, d.h. einer Differenz zwischen einem Maximalwert des Messsignals und einem Minimalwert oder einer Basislinie des Messsignalverlaufs, entsprechen. Der Messsignalverlauf kann optional mittels einer hinterlegten Übertragungskennlinie des Sensor in einen Druckverlauf innerhalb der Fluidleitung, in der der Sensor installiert ist, umgerechnet werden. In diesem Fall kann die Intensität des Druckstoßes aus dem Ausschlag des Druckverlaufs ermittelt werden. Die übergeordneten Datenverarbeitungseinheiten der Inline-Sensoren 246, 24, 248, 249 geben registrierte Druckstöße mit dem Zeitpunkt der Erfassung des Druckstoßes durch den jeweiligen Inline-Sensor und gegebenenfalls der Intensität des Druckstoßes an die Steuerung aus.
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In einer Abwandlung des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels sind die Sensoren direkt mit der Steuerung verbunden. In diesem Fall ist die Sensorelektronik selbst dazu ausgestaltet, aus den Messsignalen des ersten Messwandlers Messwerte der Primärmessgröße zu ermitteln und anhand der Messsignale des zweiten Messwandlers das Auftreten eines Druckstoßes, sowie den Zeitpunkt des Druckstoßes und gegebenenfalls dessen Intensität zu ermitteln. Die Sensorelektronik der Sensoren ist in dieser Ausgestaltung weiter dazu eingerichtet, die Messwerte und die Informationen über registrierte Druckstöße an die Steuerung 245 zur weiteren Verarbeitung auszugeben.
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Die Steuerung kann diese von den übergeordneten Datenverarbeitungseinheiten der Inline-Sensoren zur Verfügung gestellten Informationen zur Regelung des Transports von Fluiden durch das Fluidleitungsnetz 200 verwenden. Beispielsweise kann sie die Steuerung von Aktoren des Fluidleitungssystems, z.B. des das Ventil 241 betätigenden Aktors, so anpassen, dass die Häufigkeit oder die Intensität der Druckstöße reduziert wird. Dies kann beispielsweise durch eine seltenere oder langsamere Betätigung des Ventils 241 oder durch eine auf die Betätigung anderer Ventile des Fluidleitungssystems abgestimmte Betätigung des Ventils 241 geschehen. Die Steuerung 245 kann eine von der Steuerung 245 ausführbare Betriebssoftware umfassen, die eine Selbstlernfunktion bereitstellt, mittels derer die Steuerung 245 die Betätigung von Ventilen des Fluidleitungssystems mit dem Ziel einer Reduzierung der Häufigkeit und/oder Intensität von Druckstößen auf ein Minimum optimieren kann.
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Die Steuerung 245 kann weiter zur Diagnose des Fluidleitungssystems ausgestaltet sein. Hierzu kann sie eine von der Steuerung 245 ausführbare Diagnosesoftware umfassen, die der Durchführung eines Diagnoseverfahrens dient. Dieses Verfahren kann eine Ermittlung einer räumlichen und zeitlichen Verteilung der Registrierung von Druckstößen durch die einzelnen, im Fluidleitungsnetz verteilten Sensoren 246, 247, 248, 249 umfassen. Aus der ermittelten räumlichen und zeitlichen Verteilung kann die Steuerung 245 den Ursprung des Druckstoßes ermitteln. Diese Information kann für Wartungsmaßnahmen zur Verfügung gestellt werden. Diese Information kann zusätzlich auch für die Regelung des Transports von Fluiden durch das Fluidleitungssystem genutzt werden, um den Betrieb mit dem Ziel einer Minimierung von Druckstößen zu optimieren.
