DE102021119989A1

DE102021119989A1 - Optischer Messsensor zur Füllstand-, Grenzstand- oder Druckmessung

Info

Publication number: DE102021119989A1
Application number: DE102021119989.1A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach; Stefan Sum
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Messgerät (100), das zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands und/oder eines Drucks eines Mediums (20) in einem Behälter (10) eingerichtet ist und eine Einkoppeleinheit (130), einen Detektor (140), eine faseroptische Sensoreinheit (110) mit einer Optikfaser (118) und einer Sensorsonde (115) und einer Auswerteeinheit (120) umfasst. Die Auswerteeinheit (120) ist dazu eingerichtet, die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals zu ermitteln und anhand der Änderung den Füllstand oder den Druck zu bestimmen

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Messgerät, eingerichtet zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands und/oder eines Drucks eines Mediums in einem Behälter, die Verwendung eines faseroptischen Messgeräts zur Bestimmung und/oder zur Überwachung eines Füllstands oder eines Grenzstands eines Mediums in einem Behälter, die Verwendung eines faseroptischen Messgeräts zum Detektieren und/oder zur Überwachung eines Überdrucks in einem Behälter, ein Verfahren zum Detektieren eines Füllstands oder eines Grenzstands oder eines Drucks eines Mediums in einem Behälter, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
Technischer Hintergrund
Optische Messsensoren werden häufig in der modernen Messtechnik verwendet, um eine oder mehrere Messgrößen eines Zielobjekts berührungslos zu detektieren. Beispielsweise lassen sich die Messgrößen, wie z.B. die Geschwindigkeit des beweglichen Zielobjekts oder der Füllstand eines Mediums, mittels der optischen Messsensoren durch die Reflexionssignale von der Oberfläche des Zielobjekts oder des Mediums bestimmen. Dabei arbeiten solche optischen Messsensoren häufig mit einem offenen Sensorende, von welchem das optische Signal in Richtung des Mediums ausgesendet und das reflektierte optische Signal wieder empfangen wird.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Messsystem anzugeben, welches die Messgenauigkeit und die Messzuverlässigkeit verbessert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein faseroptisches Messgerät, welches zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands und/oder eines Drucks eines Mediums in einem Behälter eingerichtet ist und eine Einkoppeleinheit, einen Detektor, eine faseroptische Sensoreinheit und eine Auswerteeinheit aufweist. Die faseroptische Sensoreinheit weist eine Optikfaser mit einem ersten Ende, das mit der Einkoppeleinheit zur Einkopplung eines Lichtsignals in die Optikfaser verbunden ist, einem zweiten Ende, das mit dem Detektor zum Erfassen des Lichtsignals aus der Optikfaser verbunden ist, und eine Sensorsonde auf. Die Sensorsonde ist zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der Optikfaser angeordnet und zum Erzeugen einer Änderung der Laufzeit des Lichtsignals von der Einkoppeleinheit zum Detektor in Abhängigkeit von dem Füllstand und/oder dem Druck eingerichtet. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals zu ermitteln und anhand der Änderung den Füllstand und/oder den Druck zu bestimmen und/oder das Erreichen des Grenzstands zu detektieren.
Das faseroptische Messgerät kann weiterhin eine Elektronik aufweisen, die zum Erzeugen eines Lichtsignals oder zur Erzeugen eines elektronischen Signals und zur Umwandlung des elektronischen Signals in ein Eingangslichtsignal eingerichtet sein.
Bei der Optikfaser kann es sich um eine Glasfaser handeln und bei dem Lichtsignal um einen Laserstrahl. Die Einkoppeleinheit dient hierbei zur Einkopplung des Lichts in die Glasfaser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das faseroptische Messgerät weiterhin ein Sensorgehäuse auf, in welchem die Optikfaser angeordnet ist, um mit der Auswerteeinheit, der Einkoppeleinheit und dem Detektor ein geschlossenes Messsystem auszubilden.
Im Vergleich zu der konventionellen faseroptischen Messung, bei welcher ein Sensor mit einem offenen Glasfaserende verwendet wird und eine Reflektion des Lichtsignals, das aus dem offenen Glasfaserende in Richtung des Mediums ausgesendet wird, durch die Oberfläche des Mediums reflektiert und wieder von dem offenen Glasfaserende empfangen wird, kann das faseroptische Messgerät mittels des geschlossenen Messsystems nach einem alternativen Messprinzip zur Füllstand-, Grenzstand- und/oder Druckmessung verwendet werden. Beispielsweise kann das faseroptische Messgerät dazu eingerichtet sein, mittels der Elektronik des Messgeräts das Lichtsignal als das Eingangslichtsignal zu erzeugen, mittels der Einkoppeleinheit das Lichtsignal in die Optikfaser der faseroptische Sensoreinheit an dem ersten Ende der Optikfaser einzuspeisen oder einzukoppeln, mittels der Optikfaser entlang der Sensorsonde in Richtung des Detektors zu führen, an dem zweiten Ende an den Detektor zu übertragen, mittels der Elektronik das Lichtsignal als das Ausgangslichtsignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das elektrische Signal an die Auswerteeinheit zu senden.
Ein Teil des Eingangslichtsignals kann an die Auswerteeinheit als Referenzsignal übertragen werden. Beim Empfang des Eingangslichtsignals und des Ausgangslichtsignals kann die Auswerteeinheit zum Ermitteln der Phasenverschiebung des Lichtsignals und/oder der Änderung der Laufzeit des Lichtsignals entlang der Sensorprobe bzw. der Optikfaser eingerichtet sein. Die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals und/oder die Phasenverschiebung des Lichtsignals können durch die Änderung des Füllstands und/oder Drucks des Mediums und/oder das Erreichen oder Überschreiten des Grenzstands durch das Medium verursacht werden.
Es kann vorteilhaft sein, dass die Messung mittels des faseroptischen Messgeräts in dem geschlossenen Messsystem unabhängig von der Reflektion, die durch das Medium hervorgerufen werden kann, erfolgen kann, da das Medium nicht als eine Reflektionsquelle für das Lichtsignal oder den Lichtimpuls ausgeführt sein kann. Somit kann das faseroptische Messgerät weniger störanfällig sein und somit robuste und zuverlässige Messergebnisse ermitteln.
Vielmehr kann das faseroptische Messgerät dazu eingerichtet sein, mittels des Detektors die Laufzeitveränderung des Lichtsignals oder des Lichtpulses, die durch eine kleinste mechanische Veränderung der Optikfaser hervorgerufen oder erzeugt werden kann, zu erfassen oder zu detektieren. Darüber hinaus kann das faseroptische Messgerät dazu eingerichtet sein, die Anhaftung des Mediums an der faseroptischen Sensoreinheit zu detektieren.
Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass beispielsweise die Grenzstandmessung mittels des faseroptischen Messgeräts unabhängig von einer physikalischen Charakteristik, wie z. B. einer Dielektrizitätskonstante oder einem DK-Wert, einem Leitwert, einer Dichte oder einer Viskosität ausgeführt werden können.
Des Weiteren kann das faseroptische Messgerät vorteilhaft temperaturunempfindlich oder unempfindlich von den weiteren Störfaktoren der Umgebung ausgeführt sein, da das Empfangslichtsignal und das Ausgangslichtsignal als das Referenzsignal zur Bestimmung der Laufzeit- bzw. Phasenveränderung des Lichtsignals durch die Temperatur oder durch weitere Umgebungsfaktoren gleich stark beeinflusst werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die faseroptische Sensoreinheit des faseroptischen Messgeräts mit der Auswerteeinheit, der Einkoppeleinheit und dem Detektor integriert ausgebildet.
Beispielsweise können die Auswerteeinheit, die Einkoppeleinheit und der Detektor integriert in der Elektronik angeordnet sein. Alternativ kann die Auswerteeinheit in der Elektronik, getrennt von der Einkoppeleinheit und dem Detektor, angeordnet sein. Somit kann das faseroptische Messgerät als ein kompakter Sensor, der einfach zu herstellen und preisgünstig sein kann, ausgebildet sein.
Die Elektronik kann mit einer kabelgebundenen Energieversorgung verbunden sein. Alternativ kann die Elektronik eine interne Energieversorgung, wie z. B. eine Batterie, einen Akku, eine Batterie, ein Energie-Harvesting-System oder eine Solarzelle, aufweisen, sodass das faseroptische Messgerät beispielsweise als ein autarker Sensor ausgeführt sein kann. Somit kann der autarke optische Messsensor zur drahtlosen Kommunikation beispielsweise mit einer externen Auswerteeinheit, einer Anzeigeeinrichtung oder einem Cloudsystem eingerichtet sein. Im Vergleich zu einer drahtgebundenen Kommunikation, bei der die für die Messung erforderliche Energie stets im Einsatz stehen soll, kann mit der Verfügbarkeit weiterentwickelter, energiesparender drahtlosen Technologien in zunehmendem Umfang batteriebetriebene Sensoren zur Überwachung von Füllstand-, Grenzstand- oder Druckwerten an Bedeutung gewinnen. Besondere Vorteile ergeben sich für Anwendungen im Bereich der Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld wie z. B. der Logistik.
Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemeint ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
Beispielsweise kann durch die fortlaufende, automatisierte Überwachung der Füllstände in mobilen Behältern und die vorzugsweise drahtlose Übertragung der Werte an eine zentrale Auswertestelle im Bereich der Warenlogistik eine standortübergreifende Bestandsverwaltung auf einfache Art und Weise realisiert werden. Unter Verwendung der erfassten Daten können in Abhängigkeit von der jeweiligen Problemstellung signifikante Kostenreduktionen erreicht werden, wenn beispielsweise die Fahrroute für Lieferfahrzeuge zur Versorgung mit Nachschub optimiert werden kann.
Das autarke Messgerät kann weiterhin einen Zeitgeber, eine Logikschaltung, angeordnet zwischen dem Zeitgeber und der Auswerteeinheit, und ein schaltendes Element, eingerichtet zum Verbinden der Energieversorgung, der Logikschaltung und der Auswerteeinheit, aufweisen. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass eine Auswerteeinheit oder ein Prozessor ein Selbsthaltesignal zum Aktivieren der Energieversorgung einrichten kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die faseroptische Sensoreinheit stabförmig ausgebildet.
Alternativ kann beispielsweise die faseroptische Sensoreinheit V-förmig oder in Form einer Pyramide ausgebildet sein, so dass die Optikfaser beispielsweise V-förmig in der Sensoreinheit angeordnet sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Optikfaser eine Kunststofffaser oder eine Glasfaser. Alternativ kann die Optikfaser aus einem Quarz bestehen.
Es kann sich bei der Kunststofffaser um einen Lichtwellenleiter (LWL) handeln. Durch den Lichtwellenleiter können optische Signale oder Lichtimpulse ohne Verstärker oder mit reduzierter Dämpfung übertragen werden. Somit können sich die Messgenauigkeit und/oder Messstabilität deutlich erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Optikfaser U-förmig entlang der Längsachse der faseroptischen Sensoreinheit derart angeordnet, dass das Lichtsignal innerhalb der Optikfaser von dem ersten Ende zur Sensorsonde und von der Sensorsonde zum zweiten Ende antiparallel geführt wird.
Die Optikfaser kann flexibel ausgeführt sein, so dass die Optikfaser bei dem Verbinden mit der Einkoppeleinheit an dem ersten Ende und dem Verbinden mit dem Detektor an dem zweiten Ende in einer beliebigen Form, beispielsweise in einer U-Form oder einer V-Form, ausgebildet sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das faseroptische Messgerät zum Erzeugen eines Lichtsignals in Form eines Lichtpulses eingerichtet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorsonde des faseroptischen Messgeräts ein Gelkissen auf, das zum Umhüllen der Optikfaser an der Sensorsonde eingerichtet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gelkissen an einem freien Ende der Sensorsonde und/oder seitlich an der Sensorsonde angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gelkissen dazu eingerichtet, die Optikfaser an der Sensorsonde bei einer Änderung des Füllstands und/oder des Drucks und/oder beim Erreichen und/oder Überschreiten eines Grenzstands so zu verformen, dass sich die Laufzeit des Lichtsignals in der Optikfaser ändert.
Das Gelkissen der optischen Sensoreinheit kann dazu eingerichtet sein, beispielsweise beim Kontakt mit dem Medium oder bei der Änderung des Füllstands und/oder des Drucks so verformt werden zu können, dass eine mechanische Veränderung der Optikfaser dadurch erzeugt werden kann und die dadurch verursachten Phasenverschiebung bzw. Laufzeitveränderung des Lichtsignals detektierbar sein können.
Die Sensorsonde kann ein einziges Gelkissen aufweisen, das an dem freien Ende der Sensorsonde angeordnet sein kann. Alternativ kann die Sensorsonde mehrere Gelkissen aufweisen, die an dem freien Ende der Sensorsonde und/oder seitlich an der Sensorsonde angeordnet sein können.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die mehreren Gelkissen asymmetrisch auf der zwei Gegenseiten oder spiralförmig oder Helix-förmig an der Sensorsonde angeordnet sein können. Somit kann das faseroptische Messgerät dazu eingerichtet sein, mehrere Füllstände jeweils durch eines der mehreren Gelkissen, welches einem vordefinierten Füllstand und/oder Grenzstand entsprechen kann, zu bestimmen. Alternativ können die mehreren Gelkissen paarweise symmetrisch auf zwei Gegenseiten der Sensorsonde angeordnet sein. Durch die Anordnung der mehreren Gelkissen kann vorteilhaft die Genauigkeit der Füllstandmessung erhöht werden.
Das Gelkissen kann dazu eingerichtet sein, mit dem Sensorgehäuse einen geschlossenen Innenraum für die Faseroptik zu bilden, um die Faseroptik vor der Anhaftung des Mediums und/oder den Einflüssen von der Umgebung zu schützen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Sensorsonde kein Gelkissen aufweisen kann, sondern beispielsweise beim Erreichen oder Überschreiten des vorgegebenen Grenzstands durch das Medium im unmittelbaren Kontakt mit dem Medium stehen bzw. in das Medium hineinragen kann. Das faseroptische Messgerät kann dazu eingerichtet sein, mittels des Detektors die Änderung der Laufzeit und/oder die Phasenverschiebung des Lichtsignals in der Optikfaser durch den Kontakt der Sensorsonde mit dem Medium zu erfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gelkissen dazu eingerichtet, die Optikfaser an der Sensorsonde bei einer Änderung des Füllstands und/oder des Drucks und/oder beim Erreichen und/oder Überschreiten eines Grenzstands so zu verformen, dass eine vom faseroptischen Messgerät detektierbare Phasenverschiebung des Lichtsignals zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der Optikfaser erzeuget wird.
Wird das Lichtsignal über einen vorbestimmten Zeitraum erfasst, können der Füllstand oder der Grenzstand und/oder der Druck in dem Behälter, beispielsweise während des Befüllens oder des Entleerens des Behälters, dynamisch überwacht werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines faseroptischen Messgeräts zur Bestimmung und/oder zur Überwachung eines Füllstands oder eines Grenzstands eines Mediums in einem Behälter.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines faseroptischen Messgeräts zum Detektieren und/oder zur Überwachung eines Überdrucks in einem Behälter.
Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das faseroptische Messgerät als ein multifunktioneller Sensor zur parallelen oder synchronisierten Messungen eingerichtet sein.
Beispielsweise kann das faseroptische Messgerät an dem Behälter im oberen Bereich bzw. oberhalb des Mediums angeordnet werden, sodass das faseroptische Messgerät zur kombinierten Druck- und Grenzstandmessungen eingerichtet werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann das faseroptische Messgerät derart an dem Behälter im unteren Bereich angeordnet sein, dass die faseroptische Sensoreinheit durch die Behälterwand hindurch angeordnet sein kann und in das Medium hineinragen kann, um beispielsweise den Füllstand und den Druck oder Überdruck in dem Behälter ermitteln oder überwachen zu können.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Detektieren und/oder zur Überwachung eines Füllstands oder eines Grenzstands oder eines Drucks eines Mediums in einem Behälter, das die folgenden Schritte aufweist: das Bereitstellen eines faseroptischen Messgeräts, das eine Einkoppeleinheit , einen Detektor und eine faseroptische Sensoreinheit mit einer Optikfaser, die jeweils an einem ersten Ende mit einer Einkoppeleinheit und an einem zweiten Ende mit dem Detektor verbunden wird, und einer Sensorsonde, die zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der Optikfaser angeordnet wird, aufweist, das Erzeugen einer Änderung der Laufzeit des Lichtsignals mittels der Sensorsonde der Sensoreinheit von der Einkoppeleinheit zum Detektor in Abhängigkeit von dem Füllstand und/oder dem Druck und das Ermitteln die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals und Bestimmen des Füllstands und/oder des Drucks und/oder Detektieren des Erreichens des Grenzstands anhand der Änderung des Lichtsignals.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor eines faseroptischen Messgeräts aufgeführt wird, das faseroptische Messgerät anweist, die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement gespeichert ist.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so beschreiben diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein faseroptisches Messgerät zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands oder eines Drucks eines Mediums in einem Behälter gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt schematisch das Detektieren einer Phasenverschiebung eines Lichtsignals mittels des faseroptischen Messgeräts gemäß einer Ausführungsform.
3a zeigt schematisch ein faseroptisches Messgerät zum Anordnen an einem Behälter für eine Füllstand-, Grenzstand- und/oder Druckmessung in einem Behälter gemäß einer Ausführungsform.
3b zeigt schematisch ein faseroptisches Messgerät zum Anordnen an einem Behälter für eine Füllstand-, Grenzstand- und/oder Druckmessung in einem Behälter gemäß einer weiteren Ausführungsform.
4a zeigt schematisch eine Sensorsonde einer faseroptischen Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform.
4b zeigt schematisch eine Sensorsonde einer faseroptischen Sensoreinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
4c zeigt schematisch eine Sensorsonde einer faseroptischen Sensoreinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Messprinzips eines faseroptischen Messgeräts gemäß einer Ausführungsform.
6 zeigt schematisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren eines Füllstands, eines Grenzstands und/oder eines Drucks eines Mediums in einem Behälter gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch ein faseroptisches Messgerät 100, welches zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands und/oder eines Drucks eines Mediums 20 in einem Behälter 10 eingerichtet ist und eine faseroptische Sensoreinheit 110, eine Auswerteeinheit 120, eine Einkoppeleinheit 130 und einen Detektor 140 umfasst.
Die faseroptische Sensoreinheit 110 des faseroptischen Messgeräts 100 weist eine Optikfaser 118 und eine Sensorsonde 115 auf. Darüber hinaus weist die Optikfaser 118 ein erstes Ende 111, das mit der Einkoppeleinheit 130, eingerichtet zur Einkopplung eines Lichtsignals in die Optikfaser, verbunden ist, und ein zweites Ende 112, das mit dem Detektor 140, eingerichtet zum Erfassen des Lichtsignals aus der Optikfaser 118, verbunden ist, auf. Die Sensorsonde 115 ist zwischen dem ersten Ende 111 und dem zweiten Ende 112 der Optikfaser 118 angeordnet und kann zum Erzeugen einer Änderung der Laufzeit des Lichtsignals von der Einkoppeleinheit 130 zum Detektor 140 in Abhängigkeit von dem Füllstand und/oder dem Druck eingerichtet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass das faseroptisches Messgerät 100 eine Elektronik aufweisen, in der die Einkoppeleinheit 130, der Detektor 140 und die Auswerteeinheit 120 integriert in der Elektronik angeordnet sein können. Alternativ kann die Auswerteeinheit 120 in dem Sensorgehäuse 150 getrennt von der Einkoppeleinheit 130 und dem Detektor 140, die in einer gemeinsamen Elektronik angeordnet sein können, vorgesehen sein.
Das faseroptische Messgerät 100 kann weiterhin ein Sensorgehäuse 150 aufweisen, in welchem die Optikfaser 118 angeordnet sein kann, um mit der Auswerteeinheit 120, der Einkoppeleinheit 130 und dem Detektor 140 ein geschlossenes Messsystem auszubilden. In anderen Worten kann das Sensorgehäuse 150 dazu eingerichtet sein, die faseroptische Sensoreinheit 110 mit der Optikfaser 118 und der Sensorsonde 115, die Elektronik bzw. die Einkoppeleinheit 130, den Detektor 140 und die Auswerteeinheit 120 komplett oder zumindest teilweise zu umhüllen. Somit kann beispielsweise die faseroptische Sensoreinheit 110 mit der Auswerteeinheit 120, der Einkoppeleinheit 130 und dem Detektor 140 integriert ausgebildet sein.
Die faseroptische Sensoreinheit 110 kann stabförmig ausgebildet sein und die Sensorsonde 115 der faseroptischen Sensoreinheit 110 kann ein freies Ende aufweisen, an dem ein Gelkissen 1151 angeordnet sein kann, welches zum Umhüllen der Optikfaser 118 an dem freien Ende der Sensorsonde 115 eingerichtet sein kann.
Darüber hinaus kann das faseroptische Messgerät dazu eingerichtet sein, beispielsweise mittels der Elektronik das Lichtsignal in Form eines Lichtpulses zu erzeugen, welches mittels der Einkoppeleinheit 130 in die Optikfaser 118 eingekoppelt, mittels der Optikfaser 118 geführt oder an den Detektor 140 übertragen und mittels des Detektors erfasst werden kann.
Die Optikfaser 118 kann aus einem Kunststoff oder aus einem Glas oder einem Quarz bestehen. Auch die Optikfaser 118 kann flexibel ausgeführt sein, so dass die Optikfaser bei dem Verbinden mit der Einkoppeleinheit 130 an dem ersten Ende 111 und dem Verbinden mit dem Detektor 140 an dem zweiten Ende 112 in einer beliebigen Form, beispielsweise in einer U-Form oder einer V-Form, ausgebildet sein kann.
Beispielsweise kann die Optikfaser 118 U-förmig entlang der Längsachse der faseroptischen Sensoreinheit 110 derart angeordnet sein, dass das Lichtsignal innerhalb der Optikfaser 118 von dem ersten Ende 111 zur Sensorsonde 115 und von der Sensorsonde 115 zum zweiten Ende 112 antiparallel geführt werden kann.
Die Auswerteeinheit 120 kann dazu eingerichtet sein, die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals zu ermitteln und anhand der Änderung den Füllstand und/oder den Druck zu bestimmen und/oder das Erreichen des Grenzstands zu detektieren.
Ferner kann ein Prozessor 160, auf dem ein Programmelement ausgeführt werden kann, in der faseroptischen Sensoreinheit 110 bzw. in der Elektronik oder der Auswerteeinheit 120 vorgesehen sein, um das faseroptische Messgerät 100 zur Durchführung der Füllstand-Grenzstand- und/oder Druckmessung anzuweisen.
Das Gelkissen 1151 der faseroptische Sensoreinheit 110 kann verformbar ausgebildet sein. Dazu kann das Gelkissen 1151 aus einem Kunststoff bestehen, dessen Form oder Volumen sich durch den Kontakt mit einem Medium oder einer Flüssigkeit ändern kann.
Beispielsweise kann das Gelkissen 1151 der Sensorsonde 115 dazu eingerichtet sein, die Optikfaser 118 an der Sensorsonde 115 bei einer Änderung des Füllstands und/oder des Drucks und/oder beim Erreichen und/oder Überschreiten eines Grenzstands so zu verformen, dass sich die Laufzeit des Lichtsignals in der Optikfaser 118 ändern kann.
Alternativ oder zusätzlich kann das Gelkissen dazu eingerichtet sein, die Optikfaser 118 an der Sensorsonde 115 bei einer Änderung des Füllstands und/oder des Drucks und/oder beim Erreichen und/oder Überschreiten eines Grenzstands so zu verformen, dass eine vom faseroptischen Messgerät detektierbare Phasenverschiebung des Lichtsignals zwischen dem ersten Ende 111 und dem zweiten Ende 112 der Optikfaser 118 erzeuget werden kann.
2 zeigt schematisch das Detektieren der Phasenverschiebung des Lichtsignals mittels des faseroptischen Messgeräts 100. Beispielsweise kann das faseroptische Messgeräts 100 dazu eingerichtet sein, mittels des Detektors 140 das Ausgangslichtsignal 112a, das durch die Optikfaser 118 an dem zweiten Ende 112 an den Detektor übertragen werden kann, zu erfassen und mittels der Auswerteeinheit 120 durch den Vergleich des Ausgangslichtsignal 112a mit dem Eingangssignal 111 a, das von der Elektronik erzeugt wird und mittels der Einkoppeleinheit 130 in die Optikfaser 118 eingespeist oder eingekoppelt werden kann, die Phasenverschiebung 112c, 112d zwischen dem Ausgangslichtsignal 112a und dem Eingangslichtsignal 111a auszuwerten. Beispielsweise kann die Phasenverschiebung 112c, 112d unmittelbar darauf hinweisen, dass das Medium 20 in dem Behälter 10 den Grenzstand erreicht oder überschreitet. Des Weiteren kann die Änderung der Phasenverschiebung 112c, 112d mit der Änderung des Füllstands und/oder des Drucks des Mediums 20 korreliert sein. Wird die Phasenverschiebung des Lichtsignals beispielsweise für einen vorbestimmten Zeitraum erfasst, können der Füllstand und/oder der Druck in dem Behälter 10 in der Echtzeit überwacht werden.
Falls die Dichte des Mediums bekannt ist, kann das faseroptische Messgerät 100 eingerichtet sein, durch den Größenunterschied der Phasenverschiebung bzw. der Laufzeitverschiebung die Füllstand- oder Druckänderungen zu ermitteln. Darüber hinaus kann das faseroptische Messgerät 100 eingerichtet sein, die Änderungsrichtung des Füllstands oder des Drucks anhand der detektierten Phasenverschiebung zu bestimmen und/oder somit das Befüllen oder das Entleeren des Behälters 10 zu überwachen. Beispielsweise kann die Phasenverschiebung eines ersten Ausgangslichtsignals 112c in einer Richtung dem Befüllen des Behälters entsprechen und die Phasenverschiebung eines zweiten Ausgangslichtsignals 112d in einer Gegenrichtung dem Entleeren des Behälters entsprechen.
3a und 3b zeigen jeweils das Anordnen bzw. das Anbringen des faseroptischen Messgeräts 100 an dem Behälter 10 zur Füllstand-, Grenzstand- und/oder Druckmessung des Mediums 20.
Das faseroptische Messgerät 100 kann, wie in 3a gezeigt, oberhalb des Mediums oder im oberen Bereich des Behälters 10 angeordnet sein. Beispielsweise kann das faseroptische Messgerät 100 durch das Dach des Behälters 10 hindurch derart angeordnet sein, dass die Sensorsonde 115 mit dem Gelkissen 1151 an dem freien Ende der Sensorsonde 115 in den Innenraum des Behälters hineinragen kann, während die Elektronik der faseroptische Sensoreinheit 110 außerhalb des Behälters 10 oder an dem Dach des Behälters 10 angeordnet sein kann. Alternativ kann das faseroptische Messgerät 100 komplett innerhalb des Behälters 10 angeordnet sein.
Die faseroptische Sensoreinheit 110 kann innerhalb des Behälters 10 derart angeordnet sein, dass die Sensorsonde 100 oberhalb der Oberfläche des Mediums angeordnet sein, wenn der Grenzstand nicht durch das Medium 20 nicht erreicht wird. Erreicht oder überschreitet das Medium 20 den vorbestimmten Grenzstand, der der Höhe des Gelkissens 1151 der Sensorsonde 115 entsprechen kann, kann das Gelkissen verformt werden, die Laufzeit des Lichtsignals in der Optikfaser 118 geändert werden und/oder die Phase des Lichtsignals verschoben werden. Alternativ und zusätzlich kann die Sensorsonde 115 der faseroptischen Sensoreinheit 110 über das Medium 20 in dem Behälter 10 derart angeordnet sein, dass der Druck bzw. der Überdruck durch das Verformen des Gelkissens und die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals und/oder die Phasenverschiebung des Lichtsignals ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das faseroptische Messgerät 100 im unteren Bereich des Behälter 100 an dem Behälter, wie in 3b gezeigt, derart angeordnet sein, dass die faseroptische Sensoreinheit 110 bzw. die Sensorsonde 115 in das Medium 20 innerhalb des Behälters 10 hineinragen kann. Somit kann es möglich kann, dass das faseroptische Messgerät 100 zu gleichzeitigen oder synchronisierten Messungen des Füllstands und des Drucks eingerichtet sein kann.
4a zeigt, dass die Sensorsonde 115 ein einziges Gelkissen 1151 a aufweisen kann, das an dem freien Ende der Sensorsonde 115 angeordnet sein kann. Alternativ kann die Sensorsonde 115, wie in 4b und 4c gezeigt, mehrere Gelkissen 1151b, 1151c aufweisen, die an dem freien Ende der Sensorsonde 115 und/oder seitlich an der Sensorsonde 115 angeordnet sein können.
Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren Gelkissen 1151b asymmetrisch, wie in 4b gezeigt, auf der zwei Gegenseiten oder spiralförmig oder Helix-förmig an der Sensorsonde 115 angeordnet sein können. Somit können mehrere Füllstände jeweils durch eines der mehreren Gelkissen 1151a, welches einem vordefinierten Füllstand und/oder Grenzstand entsprechen kann, bestimmt werden. Alternativ können die mehreren Gelkissen 1151c paarweise symmetrisch, wie in 4c gezeigt auf zwei Gegenseiten der Sensorsonde 115 angeordnet sein. Durch die Anordnung der mehreren Gelkissen 1151a, 1151b, 1151c können vorteilhaft die Genauigkeit der Füllstandmessung erhöht werden.
Das Gelkissen 115 kann dazu eingerichtet sein, mit dem Sensorgehäuse 150 einen geschlossenen Innenraum für die Faseroptik 118 zu bilden, um die Faseroptik 118 vor der Anhaftung des Mediums und/oder den Einflüssen von der Umgebung zu schützen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Messprinzips eines faseroptischen Messgeräts 100. Gemäß dem Messprinzip kann ein Lichtsignal bzw. ein Eingangslichtsignal 111a, das von der Elektronik des Messgeräts erzeugt werden kann, mittels der Einkoppeleinheit 130 in die Optikfaser 118 der faseroptische Sensoreinheit 110 an dem ersten Ende 111 der Optikfaser 118 eingekoppelt, durch die Optikfaser 188 entlang der Sensorsonde 115 in Richtung des Detektors 140 geführt, an dem zweiten Ende 112 an den Detektor 140 übertragen, als das Ausgangslichtsignal 112a mittels der Elektronik in ein elektrisches Signal umgewandelt und an die Auswerteeinheit 120 gesendet werden. Ein Teil des Eingangslichtsignals wird auch an die Auswerteeinheit 120 als ein Referenzsignal übertragen werden. Beim Empfang des Eingangslichtsignals und des Ausgangslichtsignals kann die Auswerteeinheit 120 zum Ermitteln der Phasenverschiebung und/oder der Änderung der Laufzeit des Lichtsignals entlang der Sensorprobe 115 bzw. der Optikfaser 118 eingerichtet sein. Die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals und/oder die Phasenverschiebung des Lichtsignals können durch die Änderung des Füllstands und/oder Drucks des Mediums 20 und/oder das Erreichen oder Überschreiten des Grenzstands durch das Medium 20 verursacht werden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens mittels eines faseroptischen Messgeräts 100 zum Detektieren eines Füllstands oder eines Grenzstands oder eines Drucks eines Mediums 20 in einem Behälter 10.
Im ersten Schritt 201 wird ein faseroptisches Messgerät 100 bereitgestellt, welches eine Einkoppeleinheit 130, einen Detektor 130 und eine faseroptische Sensoreinheit 110 mit einer Optikfaser 118 und einer Sensorsonde 115 aufweist, wobei die Optikfaser 118 jeweils an einem ersten Ende 111 mit einer Einkoppeleinheit 130 und an einem zweiten Ende 112 mit dem Detektor 140 verbunden wird, und wobei die Sensorsonde 115 zwischen dem ersten Ende 111 und dem zweiten Ende 112 der Optikfaser 118 angeordnet wird. Im Schritt 202 wird eine Änderung der Laufzeit des Lichtsignals mittels der Sensorsonde 115 der Sensoreinheit 110 von der Einkoppeleinheit 130 zum Detektor 140 in Abhängigkeit von dem Füllstand und/oder dem Druck erzeugt. Im Schritt 203 wird die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals ermittelt und anhand der Änderung der Laufzeit des Lichtsignals der Füllstand und/oder der Druck in dem Behälter ermittelt und/oder das Erreichens des Grenzstands bestimmt.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

Faseroptisches Messgerät (100), eingerichtet zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands und/oder eines Drucks eines Mediums (20) in einem Behälter (10), umfassend: eine Einkoppeleinheit (130); einen Detektor (140); eine faseroptische Sensoreinheit (110), die eine Optikfaser (118) mit einem ersten Ende (111), das mit der Einkoppeleinheit (130) zur Einkopplung eines Lichtsignals in die Optikfaser verbunden ist, und einem zweiten Ende (112), das mit dem Detektor (140) zum Erfassen des Lichtsignals aus der Optikfaser (118) verbunden ist, und eine Sensorsonde (115) aufweist, wobei die Sensorsonde (115) zwischen dem ersten Ende (111) und dem zweiten Ende (112) der Optikfaser (118) angeordnet ist und zum Erzeugen einer Änderung der Laufzeit des Lichtsignals von der Einkoppeleinheit (130) zum Detektor in Abhängigkeit von dem Füllstand und/oder dem Druck eingerichtet ist; und eine Auswerteeinheit (120), die dazu eingerichtet ist, die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals zu ermitteln und anhand der Änderung den Füllstand und/oder den Druck zu bestimmen und/oder das Erreichen des Grenzstands zu detektieren.
Faseroptisches Messgerät (100) nach Anspruch 1, weiter aufweisend: ein Sensorgehäuse (150), in welchem die Optikfaser (118) angeordnet ist, um mit der Auswerteeinheit (120), der Einkoppeleinheit (130) und dem Detektor (140) ein geschlossenes Messsystem auszubilden.
Faseroptisches Messgerät (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die faseroptische Sensoreinheit (110) mit der Auswerteeinheit (120), der Einkoppeleinheit (130) und dem Detektor (140) integriert ausgebildet ist.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die faseroptische Sensoreinheit (110) stabförmig ausgebildet ist.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Optikfaser (118) eine Kunststofffaser oder eine Glasfaser ist.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Optikfaser (118) U-förmig entlang der Längsachse der faseroptischen Sensoreinheit (110) derart angeordnet ist, dass das Lichtsignal innerhalb der Optikfaser (118) von dem ersten Ende (111) zur Sensorsonde (115) und von der Sensorsonde (115) zum zweiten Ende (112) antiparallel geführt wird.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eingerichtet zum Erzeugen eines Lichtsignals in Form eines Lichtpulses.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorsonde (115) ein Gelkissen (1151) aufweist, das zum Umhüllen der Optikfaser (118) an der Sensorsonde (115) eingerichtet ist.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gelkissen (1151) an einem freien Ende der Sensorsonde (115) und/oder seitlich an der Sensorsonde angeordnet ist.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gelkissen (1151) dazu eingerichtet ist, die Optikfaser (118) an der Sensorsonde (115) bei einer Änderung des Füllstands und/oder des Drucks und/oder beim Erreichen und/oder Überschreiten eines Grenzstands so zu verformen, dass sich die Laufzeit des Lichtsignals in der Optikfaser (118) ändert.
Faseroptisches Messgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gelkissen (1151) dazu eingerichtet ist, die Optikfaser (118) an der Sensorsonde (115) bei einer Änderung des Füllstands und/oder des Drucks und/oder beim Erreichen und/oder Überschreiten eines Grenzstands so zu verformen, dass eine vom faseroptischen Messgerät detektierbare Phasenverschiebung des Lichtsignals zwischen dem ersten Ende (111) und dem zweiten Ende (112) der Optikfaser (118) erzeuget wird.
Verwendung eines faseroptischen Messgeräts (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Bestimmung und/oder zur Überwachung eines Füllstands oder eines Grenzstands eines Mediums (20) in einem Behälter (10).
Verwendung eines faseroptischen Messgeräts (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Detektieren und/oder zur Überwachung eines Überdrucks in einem Behälter (10).
Verfahren zum Detektieren eines Füllstands, eines Grenzstands und/oder eines Drucks eines Mediums (106) in einem Behälter (10), aufweisend die Schritte: Bereitstellen (201) eines faseroptischen Messgeräts (100), das eine Einkoppeleinheit (130), einen Detektor und eine faseroptische Sensoreinheit (110) mit einer Optikfaser (118), die jeweils an einem ersten Ende (111) mit einer Einkoppeleinheit (130) und an einem zweiten Ende (112) mit dem Detektor (140) verbunden wird, und einer Sensorsonde (115), die zwischen dem ersten Ende (111) und dem zweiten Ende (112) der Optikfaser (118) angeordnet wird, aufweist; Erzeugen (202) einer Änderung der Laufzeit des Lichtsignals mittels der Sensorsonde (115) der Sensoreinheit (110) von der Einkoppeleinheit (130) zum Detektor (140) in Abhängigkeit von dem Füllstand und/oder dem Druck; Ermitteln (203) die Änderung der Laufzeit des Lichtsignals und Bestimmen des Füllstands und/oder des Drucks und/oder Detektieren des Erreichens des Grenzstands anhand der Änderung der Laufzeit des Lichtsignals.
Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor (160) eines faseroptischen Messgeräts (100) ausgeführt wird, das faseroptische Messgerät (100) anweist, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 14 durchzuführen.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement nach Anspruch 15 gespeichert ist.