DE102018218148A1

DE102018218148A1 - Messsonde sowie Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102018218148A1
Application number: DE102018218148.9A
Authority: DE
Inventors: Lukas Peter Voj; Fabian Krause
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-04-23
Also published as: WO2020083843A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messsonde 100 und ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Messsonde 100 besteht im Wesentlichen aus mindestens einem Sensor 110 zum Erfassen einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße in einem Medium 200, beispielsweise einer Metallschmelze während einer Zeit. Die Messsonde weist neben dem Sensor 110 auch eine Sendeeinrichtung 120 auf zum drahtlosen Übertragen eines die Messgröße repräsentierenden Sendesignals an einen Empfänger 300. Um neben der zeitlichen auch eine räumliche Erfassung der Messgröße zu ermöglichen, sieht die vorliegende Erfindung vor, dass die Sendeeinrichtung 120 in Form eines Microrechners, vorzugsweise als Beacon, ausgebildet ist und dass der Microrechner ein Positionsbestimmungs-Modul 122 aufweist zum Ermitteln der jeweils aktuellen Position der Messsonde zu mindestens einem Zeitpunkt und/oder ein Lagebestimmungs-Modul 126 aufweist zum Bestimmen der Lage der Messsonde im Raum zu mindestens einem Zeitpunkt. Die so ermittelte aktuelle Position und/oder Lage der Messsonde im Raum werden zusätzlich zu der Messgröße ebenfalls in das Sendesignal integriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messsonde mit einem Sensor zum Erfassen einer Messgröße, insbesondere in einer Metallschmelze, und eine Signaleinrichtung zum Erzeugen eines Sendesignals, welches das Messsignal repräsentiert. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messsonde.
Derartige Messsonden und Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 1 648 293 . Diese Offenlegungsschrift offenbart eine Messsonde in Form eines Wurfkörpers mit mindestens einem Sensor, beispielsweise in Form eines Thermoelementes zum Erfassen der Temperatur insbesondere in einer Metallschmelze. Die Messsonde weist neben dem Sensor eine Sendeeinrichtung auf, welche beim Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur ein elektromagnetisches Signal generiert und drahtlos aussendet. Der Wurfkörper ist vorgesehen, in die Metallschmelze hineingeworfen zu werden und solange ein Sendesignal auszusenden, solange er innerhalb der Metallschmelze funktionstüchtig bleibt.
Die britische Patentschrift GB 1,096,499 offenbart ebenfalls eine Messsonde und ein Verfahren zum Messen der Temperatur in einer Metallschmelze in einem metallurgischen Gefäß, ohne dass dafür ein Behandlungsprozess der metallischen Schmelze unterbrochen werden müsste. Die Messsonde weist einen Ballastkörper auf, welcher gewährleistet, dass sich die Messsonde innerhalb der Schmelze in der Vertikalen ausrichtet. Außerdem ist die Länge der Messsonde, d. h. insbesondere der Abstand zwischen dem Ballastkörper und dem Messkopf des Sensors so bemessen, dass der Sensor der Messsonde die Temperatur der Metallschmelze auf einem vorbestimmten Level misst, wobei der Level dem Abstand zwischen dem Ballastkörper und dem Sensorkopf bei vertikaler Ausrichtung der Messsonde in der Schmelze entspricht. Außerdem ist offenbart, dass die Messsonde eine Antriebseinrichtung aufweisen kann zum Verändern der Lage bzw. räumlichen Ausrichtung der Messsonde während sie in die Schmelze hineingeworfen wird oder sich in der Schmelze bewegt. Bei dem Sensor der Messsonde kann es sich beispielsweise um ein Thermoelement handeln zum Erfassen der Temperatur der Schmelze. Die Messsonde kann ein Gehäuse aufweisen, welches beispielsweise aus Karton in Form einer Röhre gefertigt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Messsonde sowie ein bekanntes Verfahren zu deren Betrieb dahingehend weiterzubilden, dass eine räumliche und/oder zeitliche Differenzierung bei der Erfassung der Messgröße möglich wird.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 beanspruchte Messsonde gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung in Form eines Microrechners, vorzugsweise als Beacon ausgebildet ist; und dass der Microrechner ein Positionsbestimmungs-Modul aufweist zum Ermitteln der jeweils aktuellen Position der Messsonde zu mindestens einem Zeitpunkt und zum Integrieren der Position ebenfalls in das Sendesignal; und/oder dass der Microrechner ein Lagebestimmungs-Modul aufweist zum Bestimmen der Lage bzw. Ausrichtung der Messsonde im Raum zu mindestens einem Zeitpunkt und zum Integrieren der Lage ebenfalls in das Sendesignal.
Der Begriff „Position“ bedeutet einen Ort mit den Koordinaten X, Y und Z im Raum bzw. innerhalb des Mediums.
Der Begriff „Lage“ meint die räumliche Ausrichtung der Messsonde im Raum an einer bestimmten Position x₀, y₀, z₀.
Der Begriff „Microrechner“ meint einen vorzugsweise winzig kleinen Computer, welcher nicht nur ausgebildet ist, das Messsignal von mindestens einem Sensor zu empfangen und in ein entsprechendes Sendesignal umzuwandeln, sondern welcher weiterhin auch ausgebildet ist, dieses Sendesignal drahtlos auszusenden. Mit Hilfe des beanspruchten Positions-Bestimmungs-Moduls ist der Microrechner ausgebildet, die zu einem Zeitpunkt erfasste Messgröße oder den zeitlichen Verlauf der Messgröße auch mit räumlichen Informationen über den Messort zu einem bestimmten Zeitpunkt zu korrelieren. Auf diese Weise kann ein räumlicher und zeitlicher Verlauf der Messgröße innerhalb des Mediums erfasst werden und drahtlos an einen Empfänger übertragen werden. Die alternativ oder zusätzlich beanspruchte Bestimmung der Lage bzw. Ausrichtung der Messsonde im Raum bzw. innerhalb des Mediums ermöglicht bei zusätzlicher Berücksichtigung des Einbauortes des Sensors bzw. des Kopfes des Sensors an der Messsonde genauere Informationen über den Ort der Temperaturerfassung in dem Medium
Vorzugsweise ist zumindest das Gehäuse der Messsonde aus einem Material gefertigt, welches in dem Medium nur eine bestimmte Lebensdauer hat, bevor es sich danach in dem Medium funktionsuntüchtig wird und sich zumindest teilweise zersetzt oder vorzugsweise vollständig auflöst. Dies gilt insbesondere für ein Karton- oder Kunststoffgehäuse, aber auch für ein Metallgehäuse innerhalb einer Metallschmelze. Vorzugsweise zersetzt sich nicht nur das Gehäuse, sondern die gesamte Messsonde innerhalb des Mediums. Vorzugsweise verbleiben nach der Zersetzung oder der Auflösung der Messsonde keine Rückstände zurück, welche das Medium oder die prozesstechnische Behandlung des Mediums wesentlich beeinflussen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse einen Ballastkörper aufweisen; dieser bietet den Vorteil, dass sich die Messsonde in dem Medium in der Vertikalen ausrichtet.
Die Dichte der gesamten Messsonde wird vorzugsweise so gewählt, dass die gewünschte Erfassung der Messgrößen in dem Medium an sinnvoller Stelle erfolgen kann. Bei einer Wahl der Dichte der Messsonde entsprechend der Dichte des Mediums ist davon auszugehen, dass die Messsonde innerhalb des Mediums schwebt. Ist die Dichte der Messsonde kleiner als die Dichte des Mediums, so wird die Messsonde auf dem Medium aufschwimmen und wenn die Dichte der Messsonde größer als die Dichte des Mediums, wird die Messsonde an den Boden des Gefäßes mit dem Medium absinken. Wenn gewünscht ist, die Messgröße, beispielsweise die Temperatur an einer Grenzschicht im Übergang zwischen zwei Medien zu ermitteln, so ist es sinnvoll, die Dichte der Messsonde insgesamt so zu wählen, dass sie in einem Wertebereich zwischen der Dichte der beiden Medien liegt. Wenn die Dichte beispielsweise an der Grenzschicht zwischen einer Schmelze und einer auf der Schmelze aufschwimmenden Schlacke gemessen werden soll, empfiehlt es sich, die Dichte der Messsonde so zu wählen, dass sie zwischen der Dichte der Schlacke und der Dichte der Schmelze liegt.
Allgemein gesprochen kann es sich bei dem Medium im Sinne der Erfindung beispielsweise um eine Metallschmelze und/oder um flüssige Schlacke einer Metallschmelze handeln.
Der Microrechner weist vorteilhafterweise ein Bluetooth-Sendemodul auf zum Übertragen des Sendesignals per Bluetooth-Technologie und dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn der Empfänger ein Bluetooth-Empfangsmodus aufweist zum Empfangen des Sendesignals per Bluetooth-Technologie. Auch dafür ist es sinnvoll, wenn der Microrechner als Beacon ausgebildet ist.
Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um ein Temperaturmesselement, weiter beispielsweise um ein Thermoelement handeln zum Messen der Temperatur des Mediums. Weiterhin kann es sich bei dem Sensor um eine Einrichtung zur Messung des elektrischen Leitwertes des Mediums oder um ein Messelement zum Messen des Sauerstoffgehaltes in dem Medium handeln. Schließlich kann die Messsonde eine Antriebseinrichtung aufweisen zum Bewegen der Messsonde innerhalb des Mediums beispielsweise an einen vorbestimmten Ort.
Auch kann der Microrechner ein Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsmodul aufweisen zum Ermitteln der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung der Messsonde innerhalb des Mediums. Konkret können diese Module aus einer Recheneinheit bestehen, welche ausgebildet ist, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung der Messsonde aus dem zeitlichen Verlauf der Position der Messsonde zu berechnen.
Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf die beanspruchte Messsonde genannten Vorteilen.
Der Beschreibung sind zwei Figuren beigefügt, wobei

1 die erfindungsgemäße Messsonde; und
2 den internen Aufbau der Sendeeinrichtung

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In beiden Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt die erfindungsgemäße Messsonde 100. Sie umfasst mindestens einen Sensor 110 zum Erfassen einer physikalischen oder chemischen Größe in einem den Sensor umgebenden Medium 200. Bei der physikalischen Messgröße kann es sich beispielsweise um die Temperatur oder den elektrischen Leitwert des Mediums handeln. Bei der chemischen Messgröße kann es sich beispielsweise um die chemische Zusammensetzung des Mediums, insbesondere um dessen Sauerstoffgehalt handeln. Der Sensor 110 stellt die Messgröße in Form eines Messsignals bereit.
Neben dem mindestens einen Sensor 110 umfasst die Messsonde 100 weiterhin eine Sendeeinrichtung 120 mit einem Sendemodul 128 zum Umwandeln des Messsignals in ein elektromagnetisches Sendesignal und zum drahtlosen Übertragen des Sendesignals an einen entsprechenden Empfänger 300. Die Sendeeinrichtung 120 ist in Form eines Microrechners, vorzugsweise als Beacon ausgebildet. Sie umfasst neben dem eigentlichen Sendemodul zum Aussenden des Sendesignals, wobei das Sendemodul 128, insbesondere auch als Bluetooth-Sendemodul ausgebildet sein kann, weiterhin ein Positionsbestimmungs-Modul 122 zum Ermitteln der jeweils aktuellen Position der Messsonde zu mindestens einem Zeitpunkt im Raum bzw. in dem Medium 200. Alternativ oder zusätzlich zu dem Positionsbestimmungs-Modul 122 weist die Messsonde ein Lagestimmungs-Modul 126 auf zum Bestimmen der Lage, d. h. der Ausrichtung der Messsonde 100 im Raum zu mindestens einem Zeitpunkt auf. Darüber hinaus kann der Microrechner bzw. die Sendeeinrichtung 120 optional auch ein Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsmodul 124 aufweisen zum Ermitteln der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung der Messsonde zu mindestens einem Zeitpunkt innerhalb des Mediums 200. Die Sendeeinrichtung bzw. die Module sind jeweils ausgebildet, die von ihnen ermittelten Größen in das Sendesignal zu integrieren.
2 zeigt die Integration der besagten Module innerhalb der Sendeeinrichtung 120.
1 zeigt die Einbettung des Sensors 110 und der Sendeeinrichtung 120 in ein Gehäuse 130. Der Messkopf 115 des mindestens einen Sensors 110 ragt dabei vorzugsweise aus dem Gehäuse heraus zum Erfassen der physikalischen oder chemischen Messgröße in dem Medium in der Umgebung des Gehäuses.
Sofern erforderlich kann auch eine Antenne 129 der Sendeeinrichtung 120 aus dem Gehäuse herausragen zum drahtlosen Übertragen des Sendesignals.
Bezüglich vorteilhafter Eigenschaften des Materials des Gehäuses sowie bezüglich der vorteilhafterweise gewählten Dichte der Messsonde wird auf den vorstehenden allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Vorteilhafterweise weist die Messsonde 100 auch eine Antriebseinrichtung 150 auf zum Bewegen der Messsonde 100 innerhalb des Mediums.
Die vorstehend beschriebene Messsonde kann beispielsweise wie folgt betrieben werden:

Zunächst wird die Sonde in ein Medium eingebracht, um dort eine physikalische oder chemische Messgröße zu einem Zeitpunkt oder als Verlauf während einer Zeitdauer kontinuierlich oder zeitlich diskret zu erfassen. Die erfasste Messgröße oder eine aus der Messgröße abgeleitete Größe wird sodann in Form eines Sendesignals drahtlos an einen Empfänger übertragen. Insbesondere ist die Messsonde vorgesehen, um in eine Metallschmelze eingebracht bzw. hineingeworfen zu werden, um dort die Temperatur der Schmelze, deren elektrischen Leitwert und/oder deren Sauerstoffgehalt zu ermitteln.

Neben dem zeitlichen Verlauf der Messgröße, kann auch deren räumliche Verteilung in dem Medium erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Lage, d. h. die räumliche Ausrichtung der Messsonde in dem Medium bzw. während ihrer Bewegung in dem Medium erfasst werden. Dasselbe gilt auch für den Verlauf der Beschleunigung oder der Geschwindigkeit der Messsonde.
Bezugszeichenliste

100: Messsonde
110: Sensor
115: Messkopf
120: Sendeeinrichtung
122: Positionsbestimmungs-Modul
124: Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungs-Modul
126: Lagebestimmungs-Modul
128: Sendemodul, beispielsweise Bluetooth-Sendemodul
129: Antenne
130: Gehäuse
140: Ballastkörper
150: Antriebseinrichtung
200: Medium, insbesondere erstes Medium
210: zweites Medium
300: Empfänger
328: Bluetooth-Empfangsmodul

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 Patentliteratur

DE 1648293 [0002]
GB 1096499 [0003]

Claims

Messsonde (100) aufweisend: mindestens einen Sensor (110) zum Erfassen einer physikalischen oder chemischen Messgröße in einem Medium (200) und zum Erzeugen eines Messsignals, welches diese Messgröße repräsentiert; und eine Sendeeinrichtung (120) mit einem Sendemodul (128) zum Umwandeln des Messsignals in ein elektromagnetisches Sendesignal und zum drahtlosen Übertragen des Sendesignals an einen Empfänger (300); dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (120) in Form eines Mikrorechners, vorzugsweise als Beacon ausgebildet ist; und dass der Mikrorechner (120) ein Positionsbestimmungs-Modul (122) aufweist zum Ermitteln der jeweils aktuellen Position der Messsonde (100) zu mindestens einem Zeitpunkt und zum Integrieren der Position ebenfalls in das Sendesignal; und/oder dass der Mikrorechner (120) ein Lagebestimmungs-Modul (126) aufweist zum Bestimmen der Lage bzw. der Ausrichtung der Messsonde (100) im Raum zu mindestens einem Zeitpunkt und zum Integrieren der Lage ebenfalls in das Sendesignal.
Messsonde (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrorechner (120) weiterhin ein Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungs-Modul (124) aufweist zum Ermitteln der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung der Messsonde (100) zu mindestens einem Zeitpunkt und zum Integrieren der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung in das Sendesignal.
Messsonde (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (130) in welches der Sensor (110) und die Sendeeinrichtung (120) eingebettet sind, wobei ein Messkopf (115) des Sensors aus dem Gehäuse heraus ragt zum Erfassen der physikalischen oder chemischen Messgröße in dem Medium (200, 210) außerhalb des Gehäuses.
Messsonde (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (130) aus einem Material gefertigt ist, welches in dem Medium (200) eine vorbestimmte Lebensdauer aufweist, bevor es sich danach zersetzt oder vorzugsweise vollständig auflöst.
Messsonde (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen an dem Gehäuse angeordneten Ballastkörper (140) zum Ausrichten der Messsonde in dem Medium in der Vertikalen.
Messsonde (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Messsonde (100) entsprechend der Dichte des Mediums (200) gewählt ist, in welchem die physikalische oder chemische Messgröße ermittelt werden soll.
Messsonde (100) nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Messsonde in einem Wertebereich liegt, welcher zwischen der Dichte eines ersten Mediums (200) und der Dichte eines zweiten Mediums (210) liegt.
Messsonde (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung (150) zum Bewegen der Messsonde (100) innerhalb des Mediums an einen vorbestimmten Ort.
Messsonde (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Medium um eine Metallschmelze und/oder die flüssige Schlacke einer Metallschmelze handelt.
Messsonde (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeeinrichtung (128) in Form eines Bluetooth-Sendemoduls ausgebildet ist zum Übertragen des Sendesignals per Bluetooth-Technologie; und dass der Empfänger ein Bluetooth-Empfangsmodul (328) aufweist zum Empfangen des Sendesignals per Bluetooth-Technologie.
Messsonde (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (110) um ein Temperaturmesselement, beispielsweise ein Thermoelement zum Messen der Temperatur des Mediums (200), um eine Einrichtung zur Messung des elektrischen Leitwertes des Mediums oder um ein Messelement zum Messen des Sauerstoffgehaltes in dem Medium handelt.
Verfahren zum Betreiben einer Messsonde (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Einbringen der Messsonde (100) in das Medium (200, 210); Erfassen einer physikalischen oder chemischen Messgröße in dem Medium zu einem Zeitpunkt oder als Verlauf während einer Zeitdauer; Erfassen der räumlichen Position und/oder der Lage der Messsonde (100) in dem Medium (200) zu einem Zeitpunkt oder als Verlauf während einer Zeitdauer; und Drahtloses Übertragen der erfassten Messgröße sowie der erfassten räumlichen Position und/oder der Lage der Messsonde in Form eines Sendesignals an einen Empfänger (300).
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch zusätzliches Ermitteln der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung der Messsonde (100) in dem Medium zu einem Zeitpunkt oder als Verlauf während einer Zeitdauer und Integrieren der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung in das Sendesignal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der physikalischen Messgröße beispielsweise um die Temperatur oder den elektrischen Leitwert des Mediums (200, 210) und bei der chemischen Messgröße beispielsweise um den Sauerstoff-Gehalt des Mediums handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet dass es sich bei der Zeitdauer um die Lebenszeit der Messsonde (100) handelt, nach welcher die Messsonde (100) in dem Medium funktionsuntüchtig wird oder sich diese in dem Medium (200) auflöst oder zersetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Medium (100) um eine Metallschmelze oder die Schlacke einer Metallschmelze handelt.