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Die Erfindung betrifft einen Taster zur Erkennung von Phasenübergängen in einem Behältnis
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In der Industrie besteht generell der Wunsch, aus Kostengründen Prozesse immer weiter zu optimieren. So werden in der gleichen Anlage häufig verschiedene Prozesse mit verschiedenen Prozessmedien zeitlich hintereinander verwendet. Vor allem in der Lebensmittelindustrie aber auch in der chemischen, Öl- und der Papier-Industrie ist es daher ein Ziel, Medienunterschiede zu erkennen und die damit in Zusammenhang stehenden Prozessschritte zu aktivieren und unnötigen Produktverlust zu minimieren.
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So ist es in der Lebensmittelindustrie notwendig, in definierten Intervallen die Prozessleitungen zu reinigen. Durch diese Reinigungsprozesse ergeben sich Übergangsphasen zwischen Reinigungsmedium und Produkt, welche schnell und sicher erkannt werden müssen. Zudem sind auch Wechsel von Produkt zu Produkt üblich, bei denen es notwendig ist, so schnell wie möglich die entsprechende Reinheit bzw. Qualität des Folgeprodukts zu identifizieren. Zurzeit werden dazu häufig Leitfähigkeitssensoren (zum Beispiel der CLS54 der Anmelderin) oder Trübungssensoren (zum Beispiel der OUSAF12 der Anmelderin) eingesetzt.
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Optische Sensoren zeigen dabei Probleme durch Verschmutzung der Fenster und Einschränkung bei klaren Flüssigkeiten. Die Verwendung von Leitfähigkeitssensoren erweist sich häufig als überdimensioniert und zu teuer. Sie sind außerdem nicht für organische Lösemittel geeignet. Um Einschränkungen bei der Erkennung bestimmter Medienunterschiede (Farbe, Leitfähigkeit) zu übergehen, ist eine Kombination von optischen und Leitfähigkeitssensoren denkbar. Dieses Vorgehen erweist sich aber als zu komplex und kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil dieser Sensoren ist, dass sie in den Rohrquerschnitt hineinragen. Dadurch sind diese nicht molchbar, es kann zum Anhaften von Produkt an der Sensoroberfläche kommen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nicht-invasiven Sensor zur Erkennung von Phasenübergängen vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Taster zur Erkennung von Wechsel von Medium in einem Behältnis, umfassend einen Prozessanschluss zum Verbinden des Tasters mit dem Behältnis, wobei der Prozessanschluss Teil eines Gehäuses ist, insbesondere integraler Teil eines Gehäuses ist; das Gehäuse mit zumindest einen Mikrowellen-Chip zum Generieren von Mikrowellen, der mit zumindest einer Antenne verbunden ist, wobei die Antenne die Mikrowellen in Richtung des Mediums sendet und empfängt; eine Schnittstelle zum Verbinden des Tasters mit einer übergeordneten Einheit; und eine Datenverarbeitungseinheit, die dazu ausgestaltet ist, Daten, insbesondere Messdaten, über die Schnittstelle von der übergeordneten Einheit zu empfangen und zur übergeordneten Einheit zu senden, den Mikrowellen-Chip anzusteuern und von den empfangene Mikrowellen abhängige Signale zu verarbeiten.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Frequenz der Mikrowellen 100-10000 MHz, insbesondere 500-3000 MHz beträgt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Antenne als Leiterbahn auf einer Leiterkarte im Gehäuse ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Prozessanschluss zum Gehäuseinnenraum ein elektrisch leitendes Material umfasst, der Gehäuseinnenraum eine elektrisch leitende Schirmung umfasst, und mit einem, insbesondere elektrisch leitenden, Abschnitt des Behältnisses einen Resonatorraum bildet, wobei eine Blende aus einem elektrisch nicht-leitenden Material den Taster zum Medium hin abschließt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse in Verbindung mit einem, insbesondere elektrisch leitenden, Abschnitt des Behältnisses und dem Prozessanschluss so ausgestaltet ist, dass die Abstrahlung von Mikrowellen außerhalb des Behältnisses unterbunden ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Schirmung als Lage auf einer Leiterplatte ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Prozessanschluss als Flansch, Clamp-Anschluss, Milchrohr- oder Aseptik-Verschraubung, SMS-Verschraubung, Varivent N, oder Neumo Biocontrol ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zur Reflexions- oder Transmissionsmessung ausgestaltet ist, und die Antenne als Anlegefühler oder Freistrahlantenne ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Taster im Gehäuse zumindest einen Temperatursensor umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Datenverarbeitungseinheit dazu ausgestaltet ist, Phasengrenzen und Phasenübergänge aus den von den empfangenen Mikrowellen abhängige Signale abzuleiten.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse hermetisch dicht ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Schnittstelle als induktive Schnittstelle ausgestaltet ist und der Taster dadurch mit einem Messumformer verbindbar ist.
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Es ergibt sich somit eine einfacher, universell einsetzbarer Mikrowellen-Taster zur schnellen Erkennung eines Phasenwechsels von Medien, insbesondere von Lebensmitteln in verschiedenen Ausgestaltungen als Resonator- oder Applikatorvariante.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
- 1 zeigt eine Ausführung des beanspruchten Tasters im Querschnitt (Resonatorausführung).
- 2 zeigt eine Ausführung des beanspruchten Tasters (Anlegefühler).
- 3 zeigt eine Ausführung des beanspruchten Tasters (Freistrahl).
- 4 zeigt eine Ausführung des beanspruchten Tasters in einer Übersicht.
- 5 zeigt Messergebnisse.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der beanspruchte Taster in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
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Vorgeschlagen wird ein hermetisch dichter Taster 1 im hygienischen Design, welcher mittels Mikrowellentechnologie Phasengrenzen unterschiedlicher flüssiger Medien in Industrieprozessen detektiert. „Hermetisch“ in diesem Zusammenhang bedeutet, dass von außen keine Flüssigkeit, etwa das zu messende Medium, Luft oder Staub eindringen kann. Er umfasst auch keine elektrischen Durchführungen.
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Der Taster 5 arbeitet in einem Frequenzbereich von 100 - 10.000 MHz, jedoch vorzugsweise in einem Bereich von 500 - 3000 MHz. Er arbeitet mit mindestens einer Frequenz.
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In einer Ausgestaltung wird nicht nur eine Messfrequenz verwendet, sondern zwischen mehreren festen Frequenzen gewechselt oder in einem definierten Bereich die Messfrequenz kontinuierlich verändert. Durch die damit verfügbaren unterschiedlichen Eindringtiefen bzw. analysierbaren Volumenbereiche ist es zusätzlich zur Detektion von Phasengrenzen sich austauschender Medien (siehe unten) möglich, die Homogenität des zu messenden Mediums 12 zu detektieren. Zudem können diese unterschiedlichen Frequenzen dazu verwendet werden, um die Identifizierung der unterschiedlichen Medien zu optimieren.
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In einer Ausgestaltung wird eine zusätzliche Messung im Kurzwellenbereich durchgeführt, bei welcher neben den dielektrischen Eigenschaften des Mediums 12 auch dessen Leitfähigkeit erfasst wird.
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Durch Kombination des Tasters 1 mit einem anderen Messverfahren, etwa einem weiteren Sensor, z.B. mit einem der Leitfähigkeitssensor mit einer Messung nahe der Tasteroberfläche, können zwei unterschiedliche Signale korreliert werden, um dadurch zusätzliche Informationen über die Homogenität des Mediums zu erhalten. Damit kann beispielsweise die Überwachung der Verteilung von Stückchen in einem homogenen Medium überwacht werden, etwa die Verteilung von Ananas-Stücken im Joghurt. Durch Variation von Parameter der Mikrowellen, also die Frequenz oder die Amplitude, kann die Eindringtiefe in das Medium beeinfluss werden.
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In einer ersten nicht-invasiven, aber medienberührenden Ausführung ist der Taster 1 mit einem Prozessanschluss 2, z.B. Clamp-Anschluss ausgestattet.
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Der Taster umfasst somit den Prozessanschluss 2 zum Verbinden des Tasters 1 mit einem Behältnis 11, wobei der Prozessanschluss 2 Teil eines Gehäuses 5 ist, insbesondere integraler Teil des Gehäuses 5. Das Behältnis 11 ist beispielsweise eine Rohr, Rohrabschnitt, Becker o.ä. Das Gehäuse 5 umfasst zumindest einen Mikrowellen-Chip 13 zum Generieren von Mikrowellen, der mit zumindest einer Antenne 3 verbunden ist, wobei die Antenne 3 die Mikrowellen in Richtung des Mediums 12 sendet und empfängt. Am anderen Ende der Antenne 3 umfasst der Taster 1 eine Schnittstelle 14 zum Verbinden des Tasters 1 mit einer übergeordneten Einheit 15, beispielsweise einem Messumformer. Der Taster 1 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 9, etwa ein Mikrocontroller, die dazu ausgestaltet ist, Daten, insbesondere Messdaten, über die Schnittstelle 14 von der übergeordneten Einheit 15 zu empfangen und zur übergeordneten Einheit 15 zu senden, den Mikrowellen-Chip 13 anzusteuern und von den empfangene Mikrowellen abhängige Signale zu verarbeiten. Anhand der von den empfangenen Mikrowellen abhängige Signale kann die Datenverarbeitungseinheit 9 Phasengrenzen und Phasenübergänge ableiten.
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Dieser Prozessanschluss 2 ist aus einem elektrisch leitenden z.B. metallischen Material oder umfasst zumindest zum Gehäuseinnenraum hin eine elektrische leitende Lage. Er verbindet eine im Taster 1 z.B. auf einer Leiterkarte 7 befindliche Schirmung 8 mit einer metallischen Rohrleitung und bildet damit einen Resonatorraum 10. Die Schirmung 8 ist auch eine leitende Schicht. Der Raum 10 wird somit gebildet durch die Schirmung 8, den Prozessanschluss 2 und abschnittsweise des Behältnisses 11. Die Geometrien und Materialien sind zusammen mit dem zu messenden Medium 12 bzw. Medien 12, 12' angepasst, sodass sich eine Resonanz im Raum 10 ergibt.
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Medienseitig wird der Taster 1 über eine Blende 4 aus nicht-metallischem Material (z.B. PEEK) begrenzt. Diese Blende 4 ist dicht mit der Prozessadaption verbunden und liegt innerhalb des Resonatorraums 10. Im Gehäuseinneren im Resonatorraum 10 zwischen Schirmung 8 und Blende 4 ist eine Antenne 3 z.B. auf einer Leiterkarte 7 z.B. als Leiterbahn aufgebracht. Im Inneren im Resonatorraum 10 zwischen Schirmung 8 und Blende 4 ist ein Temperatursensor 6 z.B. auf einer Leiterkarte 7 aufgebracht. Antenne 3 und Temperatursensor 6 sind mit einer Datenverarbeitungseinheit 9 inklusive des Mikrowellenchips 13 außerhalb des Resonatorraum 10 elektrisch kontaktiert, z.B. über eine Durchkontaktierung der Leiterkarte 7.
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Durch Einbringen einer von einem ersten Medium 12 unterschiedlichen zweiten Medium 12' in die Rohrleitung und damit in den Resonator wird infolge der sich ändernden dielektrischen Eigenschaften die Resonanzfrequenz und die Bandbreite der Resonanz verändert. Ein mit der Resonanzkurve zusammenhängender materialabhängiger Messwert kann die Breite, die Amplitude, die Steigung in einer Flanke oder die Frequenzverschiebung sein. In einer Ausgestaltung wird diese Änderung über die Erfassung des komplexen Reflexionsparameters S11 ermittelt. Dazu müssen die zum Messobjekt hinlaufende Welle und die rücklaufende Welle durch Bauelemente mit Richtwirkung voneinander getrennt werden. In einer Ausgestaltung wird z.B. die Phase des Reflexionsparameters ermittelt. Dies zeigt 5 mit den S11-Paramtern in willkürlichen Einheiten, die gegenüber der Zeit geplottet sind.
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Anstatt oder zusätzlich zu der Analyse des komplexen Reflexionsfaktors S11 können auch die anderen Streuparameter S21, S12 und/oder S22 gemessen werden. Anstatt oder zusätzlich zu der Messung der Phase des Streufaktors kann auch sein Betrag gemessen werden.
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Der Taster 1 umfasst eine induktive Schnittstelle 14 zur Daten- und Energieübertragung. Ein Kabel 16 verbindet den Taster 1 mit einem Messumformer, also einer übergeordneten Einheit 15. Dies zeigt 4. Die Daten werden in digitaler Form gesendet und empfangen.
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Anstatt einer induktiven Schnittstelle und digitaler Kabelverbindung zu einem Messumforme,r ist in einer Ausgestaltung der Taster 1 ein Kompaktgerät mit intergierten Bedienfeld, Anzeigeoptionen und analogem Stromausgang.
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Anstatt einer induktiven Schnittstelle und digitalen Kabelverbindung zu einem Messumformer, umfasst in einer Ausgestaltung der Taster 1 eine Festkabelverbindung mit digitaler Übertragung.
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Anstatt nur einer Antenne 3 können mehrere Antennen aufgebracht sein, welche sich in ihrer Form (Antennengeometrie) unterscheiden und dadurch eine Messung in unterschiedlichen Ebenen gestatten (Streufeld-Applikatoren für Nahfeldmessungen, Antennen-Applikatoren für Fernfeldmessungen)
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Der Taster 1 kann auch ohne Temperatursensor ausgestattet sein. In einer Ausgestaltung ist der Temperatursensor 6 auf der Resonatorseite einer z.B. Leiterkarte 7, siehe 1, welcher zur Temperaturkompensation des Mediums 12 verwendet wird. Es ist auch ein weiterer Temperaturfühler auf der prozessabgewandten Seite einer z.B. Leiterkarte denkbar, welcher zusätzlich zur Kompensation der Umgebungstemperatur verwendet wird.
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Anstatt als Leiterbahn ausgeführt, können Antenne 3 und Temperaturfühler 6 auch als bedrahtete Bauteile auf der Resonatorseite der Leiterkarte aufgelötet werden.
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Anstatt eines Clamp-Anschlusses sind jegliche andere in der Industrie verwendeten Prozessanschlüsse denkbar, etwa Milchrohr-, Aseptik-Verschraubung, Clamp ISO 2852, SMS-Verschraubung, Varivent N, Neumo Biocontrol usw. in verschiedenen Durchmessern des Behältnisses 11. Insbesondere die oben beschriebene Variante mit dem Resonatorraum 10 ist unabhängig vom Rohrdurchmesser.
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In einer Ausgestaltung ist der Taster 1 fest in einem Rohrsegment mit Flanschanschlüssen angebaut. In diesem Sinn kann der Taster 1 für unterschiedliche Rohrdurchmesser angeboten werden.
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In einer Ausgestaltung ist der Prozessanschluss 2 ein metallisierter, elektrisch leitfähiger Kunststoff-Prozessanschlusss.
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In einer Ausgestaltung ist die Blende 4 aus einem Nichtmetall wie Kunststoff, Keramik oder Glas.
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Anstatt einer Resonatormessung wie in 1 gezeigt, ist auch jede andere Art der Mikrowellen-Messanordnung denkbar.
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2 zeigt eine Reflexionsmessung (links) und eine Transmissionsmessung (rechts) mit der Ausgestaltung der Antenne 3 als Anlegefühler 17 bzw. zwei Anlegefühlern 17 (mit entsprechenden Antennen 3, 3') an einem nichtmetallischen Rohrsegment 11. Die ausgesendeten Wellen sind mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet, die empfangenen mit 19.
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3 zeigt eine Reflexionsmessung (oben) und eine Transmissionsmessung (unten) mit einer freien Antenne 3 bzw. zwei freien Antennen 3, 3' an einem offenen Medienstrahl 12. Eine mögliche Anwendung ist hier eine Abfüllprozess.
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In einigen Industriezweigen werden zur Reinigung von Rohrleitungen so genannte Molche eingesetzt. Solche Reinigungsmolche bestehen aus Kunststoff (mit einer Dielektrizitätskonstante von circa 2-5) oder aus Metall/Kunststoff, und sind daher gut detektierbar. Diese lassen sich durch den Taster 1 erkennen.
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Zur Optimierung des Energiebedarfs des Tasters 1 ist eine diskontinuierliche Arbeitsweise mit Maximalfolgen, Multiton- oder Burstmessung möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Taster
- 2
- Prozessanschluss
- 3
- Antenne
- 3'
- Antenne
- 4
- Blende
- 5
- Gehäuse
- 6
- Temperatursensor
- 7
- Leiterkarte
- 8
- Schirmung
- 9
- Datenverarbeitungseinheit
- 10
- Resonatorraum
- 11
- Behältnis
- 12
- Medium
- 12'
- Medium
- 13
- Mikrowellenchip
- 14
- Schnittstelle
- 15
- übergeordnete Einheit
- 16
- Kabel
- 17
- Anlegefühler
- 18
- gesendete Wellen
- 19
- empfangene Wellen
