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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Füllstandes, Grenzstandes oder Druckes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung von Anhaftungen und/oder einer mechanischen Einwirkung auf einen Sensor gemäß Patentanspruch 6 sowie ein Verfahren zum Erkennen einer Anhaftung und/oder einer mechanischen Einwirkung gemäß Patentanspruch 8.
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Sensoren, wie zum Beispiel Füllstandsensoren, Grenzstandsensoren oder Drucksensoren kommen in sehr unterschiedlichen Prozessen zum Einsatz. So werden diese Sensoren auch in Prozessen mit adhäsiven oder sehr feinkörnigen Medien verwendet. Ein Sensor, der über einen Prozessanschluss oder eine Halterung im Prozess selbst (z.B. direkt in einem Behälter) oder in der Nähe eines Prozesses verwendet wird, kann durch diese adhäsiven oder feinkörnigen Medien verschmutzt und in seiner Funktionalität beeinträchtigt werden. Es kann vorkommen, dass Verschmutzungen im Bereich der Sensorik anhaften, indem sich Material aus dem Prozess, wie etwa feines Pulver oder klebrige Flüssigkeiten, am Sensor ansammelt sich nach und nach aufbaut und vergrößert.
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Beispielsweise kann sich bei einem Radarsensor die Anhaftung im Bereich der Antenne bilden. Diese Anhaftung erzeugt ein Radarecho, welches in einigen Fällen irrtümlicherweise als Füllstand angesehen wird und in der Folge von dem Sensor ein falscher Füllstand ausgegeben wird.
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Ein weiterer Anwendungsfall betrifft einen Drucksensor. Auch hieran können sich Anhaftungen bilden, die so groß sind, dass das eigentliche Prozessmedium von der Druckmesszelle getrennt ist. Es wird dann nicht mehr der im Prozess vorhandene Druck an der Druckmesszelle gemessen. Der Sensor gibt einen falschen Messwert aus.
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Weiterhin kann es zu einer mechanischer Überlastung der prozessberührenden Sensorik z.B. durch einen Schlag kommen, wodurch die Sensorik beschädigt werden kann und ebenfalls falsche Messwerte ausgibt.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchen Anhaftungen an einer Messfläche und/oder eine mechanische Einwirkung auf die Messfläche zuverlässig detektiert werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor dient insbesondere zur Erfassung eines Füllstandes, Grenzstandes oder eines Druckes in einem Behälter oder in einem Rohr. Der Sensor weist ein Sensorelement und eine zu einem Prozess gewandten Messfläche auf. Bei dem Sensorelement kann es sich insbesondere im Falle eines Füllstandsensors oder Grenzstandsensors um eine Antenne zur Aussendung und zum Empfang von Radarstrahlung handeln oder im Falle eines Drucksensors um eine Membran. Als Messfläche wird hier ein Bereich des Sensors bezeichnet, welcher dazu vorgesehen ist, unmittelbar dem Prozess zugewandt zu sein und potenziell in Kontakt mit den im Prozess verwendeten Medien zu kommen und welcher für die Ermittlung des Messwertes relevant ist. Die Messfläche kann dabei eine Austrittsfläche für Radarstrahlung sein oder eine Membran zur Erfassung oder Übertragung eines Druckes.
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Um nun Anhaftungen am Sensor oder mechanische Einwirkungen auf das Sensorelement zu detektieren, weist der erfindungsgemäße Sensor an der zum Prozess gewandten Seite der Messfläche mindestens einen Draht umfassend Formgedächtnismaterial auf.
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Wie auch noch in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wird, macht sich die Erfindung zu Nutze, dass Anhaftungen am Draht durch die Schwerkraftwirkung eine Zugkraft auf den Draht ausüben und dadurch eine Verformung bzw. eine Längenänderung des Drahtes aus dem Formgedächtnismaterial bewirken. Bei der Verformung des Drahtes über eine Anhaftung handelt es sich in der Regel um eine elastische Verformung. Wird die Anhaftung entfernt, so nimmt das Gitter wieder seine Ausgangsgeometrie ein.
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Bei einer konstant angelegten elektrischen Spannung an den Draht wird durch die Längenänderung eine Veränderung des Widerstandes induziert und damit eine Änderung der Stromstärke. Aus dieser Veränderung der Stromstärke kann auf das Vorhandensein einer Anhaftung geschlossen werden. Der Draht aus dem Formgedächtnismaterial ist dazu mit einer Elektronik verbunden, über welche die Spannung an den Draht angelegt und die Stromstärke überwacht werden kann.
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Die Detektion eines Schlages erfolgt nach dem gleichen Prinzip, wobei auch hier die durch eine Einwirkung induzierte Verformung des Drahtes, über eine Änderung der Stromstärke detektiert wird. Bei einer ausreichend großen mechanischen Einwirkung auf den Draht verformt sich dieser plastisch, was zu einer dauerhaften Stromstärkenänderung führt. Diese Änderung erfolgt im Falle einer mechanischen Einwirkung wie einem Schlag plötzlich und ist damit relativ leicht detektierbar.
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Ein Formgedächtnismaterial weist in Abhängigkeit der Temperatur oder in Abhängigkeit eines äußeren magnetischen Feldes zwei unterschiedliche Strukturen auf, welche das Formgedächtnismaterial durch eine kristallographisch reversible Phasenumwandlung einnehmen kann. Bei der temperaturabhängigen Phasen-umwandlung handelt es sich in der Regel um eine Umwandlung zwischen den Kristallstrukturen Martensit und Austenit. Die Kristallstruktur Austenit liegt dabei bei höheren Temperaturen vor (Hochtemperaturphase) und die Kristallstruktur Martensit bei niedrigeren Temperaturen (Niedertemperaturphase). Die Kristall-strukturen bzw. Phasen können jeweils durch Temperaturänderung ineinander übergehen (Zweiwegeffekt). Ein Vorteil der temperaturinduzierten Phasenumwandlung ist, dass sich das Material in eine zuvor eingeprägte Gestalt zurück-verformt. Die als Formgedächtnislegierungen hauptsächlich verwendeten Werkstoffe sind metallische Legierungen wie NiTi (Nickel-Titan) und NiTiCu (Nickel-Titan-Kupfer) oder auch einkristalline Legierungen aus Nickel, Mangan und Gallium. Es können aber auch Formgedächtniskunststoffe, wie Formgedächtnispolymere verwendet werden.
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Bei Formgedächtnismaterialien kann zusätzlich zur gewöhnlichen elastischen Verformung eine durch äußere Krafteinwirkung verursachte reversible Formänderung eintreten. So weisen Formgedächtnismaterialien eine besonders hohe Elastizität auf, insbesondere im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Metallen, z.B. Metallen in herkömmlichen Dehnungsmessstreifen. Durch diese besonders hohe Elastizität sind Drähte aus Formgedächtnismaterialien besonders robust und weisen auch bei häufiger Beanspruchung eine hohe Lebensdauer auf. Diese (auch als Pseudoelastizität oder Hyperelastizität) bezeichnete Form der Elastizität wird für diese Erfindung ausgenutzt.
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Auch sind Formgedächtnismaterialien sehr temperaturunempfindlich und besonders robust gegenüber Temperaturschocks. Diese Temperaturunempfindlichkeit ist ein weiterer Vorteil, den ein Draht umfassend Formgedächtnismaterial gegenüber einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifen aufweist.
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Insgesamt werden hier die vorteilhaften Eigenschaften eines Formgedächtnismaterials ausgenutzt, um die Funktionsfähigkeit des Sensors zu überwachen.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Anhaftungserkennung kein Bestandteil der eigentlichen Messung durch das Sensorelement ist und die Messung nicht beeinflusst. Die projizierte Fläche des mindestens einen Drahtes oder eines daraus geformten Gitters ist so gering, dass es Messung nicht beeinflusst. Beispielsweise würde der mindestens eine Draht bei einer Füllstandmessung mittels eines Radarsensors nicht als Füllstand erkannt. Zudem kann die Position des mindestens einen Drahtes vor der Messfläche und insbesondere vor einer Antenne als Offset bei der Messwertauswertung mitberücksichtigt werden.
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Um die Messfläche und das Sensorelement möglichst umfassend gegenüber Anhaftungen und Einwirkungen zu überwachen, ist insbesondere aus dem mindestens einen Draht umfassend Formgedächtnismaterial ein Gitter gebildet. Dabei können mehrere Drähte miteinander verbunden sein und so ein Gitter formen oder ein Draht kann gitterförmig gebogen werden.
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Je nach Einsatzgebiet des Sensors kann der Sensor einem unterschiedlich hohen Risiko für Verschmutzung oder mechanischer Einwirkung ausgesetzt sein. Entsprechend können auch die Maschenweite und Ausdehnung des Gitters angepasst werden. Das Gitter kann sich über einen Teil der Messfläche erstrecken. Insbesondere erstreckt sich das Gitter jedoch über die gesamte Messfläche, um einen möglichst umfassenden Schutz des Sensors zu erzielen.
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In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist der mindestens eine Draht mit einer Elektronik verbunden, wobei die Elektronik wiederrum mit einer Sensorelektronik verbunden ist. Entsprechend kann an den Sensor gemeldet werden, wenn Anhaftungen auftreten und eine gewisse Größe erreicht haben oder es eine mechanische Einwirkung auf den Sensor gegeben hat. Dadurch kann möglichst früh erkannt werden, dass eine Messung verfälscht ist. Details dazu werden im Folgenden noch in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben. Wenn mehrere Drähte zu einem Gitter verbunden sind, so sind die Drähte vorzugsweise elektrisch leitend miteinander verbunden und können mit nur einer Elektronik überwacht werden.
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Der mindestens eine Draht, welcher an der Messfläche des Sensors angeordnet ist kann insbesondere Formgedächtnismaterial enthalten. Es kann sich insbesondere um einen metallischen oder polymeren Draht handeln, in welchen Formgedächtnismaterial eingearbeitet ist. Alternativ ist der Draht rein aus Formgedächtnismaterial.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Erkennung von Anhaftungen und mechanischer Einwirkung auf einen Sensor. Die Vorrichtung umfasst ein Gitter aus Draht umfassend Formgedächtnismaterial und eine Elektronik, wobei der Draht mit einer Elektronik zum Anlegen einer Spannung und zur Erfassung einer Stromstärke verbunden ist. Die Elektronik ist insbesondere drahtgebunden oder drahtlos mit einer Sensorelektronik verbunden, um bei einer erkannten Anhaftung oder mechanischer Einwirkung ein Signal an die Sensorelektronik auszugeben. Das Gitter ist mit einem Sensor zur Abdeckung einer Messfläche verbindbar. Die Verbindung mit dem Sensor kann insbesondere über Klammern oder Verschraubungen erfolgen. In Bezug auf die Vorteile einer solchen Vorrichtung wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen einer Anhaftung und/oder einer mechanischen Einwirkung auf einen wie vorstehend beschriebenen Sensor. Dabei wird an den mindestens einen Draht eine konstante elektrische Spannung angelegt und die Stromstärke gemessen, wobei eine Längenänderung des Drahtes durch eine Veränderung der Stromstärke detektiert wird und dabei auf eine Anhaftung oder eine mechanische Einwirkung geschlossen wird.
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Insbesondere erfolgt die Erkennung von Anhaftungen dadurch, dass eine kontinuierliche Veränderung der Stromstärke registriert wird. Die Erkennung der Anhaftung erfolgt über einen längeren Zeitraum, da sich die Anhaftung selbst erst nach und nach bildet.
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Es kann insbesondere ein Schwellenwert für die Stromstärke definiert werden, bei dem die Elektronik der Anhaftungserkennung ein Signal an die Sensorelektronik übermittelt, dass eine Anhaftung vorliegt. Der Schwellenwert kann dabei anhängig vom Medium eingestellt werden. Erreicht ein solches Signal die Sensorelektronik kann beispielsweise die Messwerterkennung durch den Sensor eingestellt werden und ein Fehler ausgegeben werden.
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Bei einer mechanischen Einwirkung - wie einem Schlag - erfolgt eine plötzliche Veränderung der Stromstärke. Auch diese plötzliche Änderung wird mittels der Elektronik detektiert. Liegt die plötzliche und dann fortbesehene Änderung der Stromstärke vor, so wird dies ebenfalls von der Elektronik detektiert und ein Signal an eine Sensorelektronik weitergeleitet. Auch hier kann ein Schwellenwert für eine sich plötzlich ändernde Stromstärke definiert werden, um beispielsweise zu verhindern, dass bereits kleinere Verformungen, die die Messung nicht beeinträchtigen, zu einer Signalübertragung führen.
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Die Elektronik kann zwischen einer sich langsam ändernden Stromstärke und einer sich schlagartig ändernden Stromstärke unterscheiden. Dies entspricht einer Anhaftung und einem mechanischen Schlag.
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Weitere praktische Ausführungsformen sind in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Sensor in einer schematischen Seitenansicht in einem ersten Zustand ohne Anhaftungen,
- 2 den erfindungsgemäßen Sensor aus 1 in einer schematischen Seitenansicht in einem zweiten Zustand mit Anhaftungen,
- 3 den erfindungsgemäßen Sensor aus 1 und 2 in einer schematischen, perspektivischen Ansicht von schräg seitlich ohne Haltevorrichtung.
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In den 1 bis 3 ist jeweils ein Sensor 10 gezeigt, wobei es sich um einen Sensor 10 zur Erfassung eines Füllstandes handelt. Der Sensor 10 ist dazu in oder über einem Behälter (nicht dargestellt) angeordnet. Der Sensor 10 weist ein Sensorelement 12 auf, wobei es sich bei diesem Sensorelement 12 um eine Antenne zur Aussendung und zum Empfang von Radarstrahlung handelt.
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Der Sensor 10 weist eine Messfläche 14 auf. Bei der Messfläche 14 handelt es sich hier um die untere, den Abschluss der Antenne 12 in Richtung eines Prozesses bildende Fläche. Durch die Messfläche 14 hindurch wird die Radarstrahlung emittiert und die zurückreflektierte Strahlung gelangt wieder zur Antenne 12.
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Wie gut in 3 erkennbar ist, wird die Messfläche 14 vollständig von einem Gitter 16 aus Draht überdeckt. Bei dem Draht handelt es sich hier um ein Polymer, in welches Formgedächtnismaterial eingearbeitet ist.
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Zur Befestigung des Gitters 16 aus Draht ist eine Haltevorrichtung 18 vorgesehen, die wie in 1 und 2 gut erkennbar ist, das Gitter 16 an einen Flansch 20 des Sensors 10 dient.
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Das Gitter 16 ist über einen Draht mit einer Elektronik 22 verbunden. Mittels der Elektronik 22 wird eine konstante elektrische Spannung an das Gitter 16 angelegt und die resultierende Stromstärke gemessen. Die Elektronik 22 ist wiederum über eine Leitung 24 mit einer Sensorelektronik (nicht erkennbar, da innerhalb des Sensorgehäuses angeordnet) verbunden.
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In 1 ist das Gitter 16 in einer Seitenansicht dargestellt. In einem Zustand ohne Anhaftungen weist das Gitter 16 eine durch die Gesamtlänge der Drähte gebildete Grundlänge auf.
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Bildet sich nun, wie in 2 gezeigt, eine Anhaftung 26 am Gitter 16 aus, so übt diese Anhaftung 26 eine Zugkraft in Richtung der Schwerkraft g auf das Gitter 16 aus. Die einzelnen Drähte längen sich und entsprechend auch die Länge des Gitters 16. Dies kann mittels der Elektronik 22 durch eine Änderung der Stromstärke registriert werden.
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Wenn das Gitter 16 durch eine mechanische Einwirkung verformt wird, so kann analog dazu diese Verformung des Gitters 16 durch die Elektronik 22 detektiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensor
- 12
- Sensorelement, Antenne
- 14
- Messfläche
- 16
- Gitter
- 18
- Haltevorrichtung
- 20
- Flansch
- 22
- Elektronik
- 24
- Leitung
- 26
- Anhaftung
