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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Prozessmesstechnik im industriellen und privaten Umfeld. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sensor, der eingerichtet ist zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Durchflussmessung und/oder Objektdetektion, eine bestimmte Verwendung eines Kristallelements, ein Verfahren zur autarken Temperaturüberwachung bei der Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Durchflussmessung und/oder Objektdetektion, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
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Technischer Hintergrund
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Sensoren, die zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Durchflussmessung oder Objektdetektion eingesetzt werden, sind insbesondere in industriellen Anwendungen teilweise starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. Hierbei können sehr hohe und auch sehr niedrige Temperaturen den Sensor beschädigen, sodass es zu ungenauen Messungen, Fehlmessungen oder gar zum Sensorausfall kommen kann.
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In der Nähe des Sensors können Temperaturfühler vorgesehen sein, welche die Temperaturen in der Prozessumgebung des Sensors beobachten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Sensor bereitzustellen, der auf zuverlässige Art und Weise einen starken Temperaturanstieg detektieren kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Sensor, eingerichtet zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Durchflussmessung und/oder Objektdetektion, der eine autarke Temperaturüberwachung aufweist. Hierfür ist ein Kristallelement vorgesehen, das derart eingerichtet ist, dass es, wenn die Temperatur des Kristallelements einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, die Farbe zumindest teilweise wechselt.
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Ein Farbwechsel kann auch über längere Zeit erfolgen, z.B. kurze hohe Temperaturspitzen oder leicht erhöhte Temperatur über einen längeren Zeitraum. Die Verfärbung des Kristalls hängt einerseits von der Höhe der Temperatur ab und andererseits von der Dauer der erhöhten Temperatureinwirkung.
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Es kann vorgesehen sein, dass dieser Farbwechsel im Wesentlichen irreversibel ist, sodass er auch dann noch erkannt werden kann, wenn die Temperatur wieder gefallen ist.
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Das Kristallelement benötigt keine Energieversorgung für diese „Temperaturmessung“. Somit handelt es sich um eine autarke Temperaturüberwachung.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Kristallelement um ein Kolloidkristallelement und insbesondere um einen Opal. In diesem Zusammenhang kann von einem „künstlichen“ Opal gesprochen werden, der von Menschen hergestellt worden ist.
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Mithilfe eines solchen Kristallelements lässt sich überwachen, ob auch gleichmäßige Umgebungstemperaturen bestehen. Das Kristallelement kann derart „konfiguriert“ werden, dass es ab einer bestimmten Mindesttemperatur seine Farbe zu wechseln beginnt. Es arbeitet autonom und kann nicht nachträglich manipuliert werden.
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Weitere aufwändige Elektronik ist nicht erforderlich.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Sensor darüber hinaus eine Auswerte- und Steuereinheit sowie eine Messsonde auf. Das Kristallelement ist beispielsweise zwischen der Messsonde und der Auswerte- und Steuereinheit angeordnet. Es kann aber auch in der Messsonde angeordnet sein, oder nahe der Elektronik des Sensors. Auch können mehrere solche Kristallelemente vorgesehen sein. Das Kristallelement kann auch im Bereich der Messsonde und/oder der Auswerte- und Steuereinheit angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein optischer Detektor vorgesehen, der eingerichtet ist zum Detektieren einer Verfärbung des Kristallelements.
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Hierbei kann die Auswerte- und Steuereinheit derart eingerichtet sein, dass sie eine Fehlermeldung und/oder ein entsprechendes Steuersignal erzeugt, wenn eine (ausreichend starke) Verfärbung des Kristallelements detektiert wurde, insbesondere wenn die Verfärbung des Kristallelements stärker ist als eine vordefinierte Mindestverfärbung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Kristallelements angegeben, und zwar zur Detektion einer Temperaturänderung eines Füllstandsensors, eines Grenzstandsensors, eines Drucksensors, eines Durchflusssensors oder eines Sensors zur Objektdetektion. Das Kristallelement kann insbesondere als Nachrüstteil vorgesehen sein, welches nachträglich in einen Sensor eingebaut wird.
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Insbesondere kann das Kristallelement als ein Modul bereitgestellt werden, welches bereits einen optischen Sensor aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur autarken Temperaturüberwachung bei der Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Durchflussmessung oder Objektdetektion, bei dem eine optische Untersuchung eines Kristallelements, das in einen Sensor zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Durchflussmessung oder Objektdetektion integriert ist, erfolgt, um eine Verfärbung des Kristallelements zu detektieren. Es wird eine Fehlermeldung erzeugt und/oder ein Steuersignal ausgegeben, wenn eine solche Verfärbung des Kristallelements detektiert wurde, insbesondere wenn die Verfärbung des Kristallelements stärker ist als eine vordefinierte Mindestverfärbung.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Auswerte- und Steuereinheit eines Sensors ausgeführt wird, den Sensor dazu veranlasst, die oben und im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein oben beschriebenes Programmelement gespeichert ist.
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Das Programmelement kann beispielsweise in einem Arbeitsspeicher einer Datenverarbeitungseinrichtung, wie etwa eines Datenprozessors geladen und/oder gespeichert sein, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung auch Teil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sein kann. Diese Datenverarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, Verfahrensschritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, das Computerprogramm bzw. das Verfahren automatisch auszuführen und/oder Eingaben eines Benutzers auszuführen. Das Computerprogramm kann auch über ein Datennetzwerk, wie etwa das Internet, bereitgestellt und von einem solchen Datennetzwerk aus in den Arbeitsspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen werden. Das Computerprogramm kann auch eine Aktualisierung eines bereits vorhandenen Computerprogramms umfassen, wodurch das vorhandene Computerprogramm beispielsweise zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens befähigt werden kann.
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Das computerlesbare Medium kann insbesondere, aber nicht notwendigerweise, ein nichtflüchtiges Medium sein, das sich insbesondere zum Speichern und/oder Verteilen eines Computerprogramms eignet. Das computerlesbare Speichermedium kann eine CD-ROM, eine DVD-ROM, ein optisches Speichermedium, ein Festkörpermedium oder ähnliches sein, das zusammen mit oder als Teil anderer Hardware geliefert wird. Zusätzlich oder alternativ dazu, kann das computerlesbare Speichermedium auch in anderer Form verteilt bzw. vertrieben werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk, wie etwa das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme. Hierzu kann das computerlesbare Speichermedium beispielsweise als ein oder mehrere Datenpakete ausgeführt sein.
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Der Sensor kann zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld ausgeführt sein. Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen 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.
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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). Gemein 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.
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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.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- 1 zeigt einen Grenzstandsensor gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt einen Sensor gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt einen Sensor 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In dieser konkreten Ausführungsform handelt es sich um einen Grenzstandsensor mit einer Messsonde 102 in Form einer Schwinggabel. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf Grenzstandsensoren beschränkt. Vielmehr kann es sich bei dem Sensor auch um einen Füllstandsensor, beispielsweise ein Füllstandradargerät, das freistrahlend misst, oder ein TDR-Füllstandradarsensor, einen Drucksensor, einen Durchflusssensor oder eine Mikrowellenschranke zur Objektdetektion handeln.
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Der Sensor 100 weist ein Sensorgehäuse 105 auf, in dem die Elektronik untergebracht ist. An seinem anderen Ende, welches dem Prozess zugewandt ist, befindet sich die Sensorik des Sensors 102, die auch als Messsonde oder Messwertaufnehmer bezeichnet werden kann. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Stimmgabel.
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Zwischen der Messsonde 102 und dem Gehäuse 105, in dem die Auswerte- und Steuereinheit untergebracht ist, befindet sich ein Kristallelement 101, das derart eingerichtet ist, dass es, wenn seine Temperatur einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, die Farbe wechselt. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Opal-Einheit zur autarken Temperaturerfassung handeln.
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Somit kann mithilfe von künstlichen Opalen oder, allgemeiner, einem Kristallelement, eine autarke Temperaturüberwachung erfolgen. Die Verfärbung des Kristallelements kann vorzugsweise automatisch ausgewertet bzw. optisch/elektronisch erfasst werden. Die Temperaturüberwachung erfolgt kontinuierlich über die Zeit und die Verfärbung des Kristalls hängt einerseits von der Höhe der Temperatur ab und andererseits von der Dauer der erhöhten Temperatureinwirkung.
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Ein zusätzlicher Sensor zur Temperaturerfassung ist nicht erforderlich. Auch ist keine dauerhafte Energieversorgung des Kristallelements erforderlich.
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2 zeigt eine mögliche Anordnung der oben beschriebenen Elemente innerhalb eines Sensors 100. Es ist eine Hauptelektronik vorgesehen, die die Auswerte- und Steuereinheit 103 aufweist. An die Hauptelektronik ist die Messsonde bzw. Messwertaufnahme 102 angeschlossen. In ihrer Nähe befindet sich das Kristallelement 101 sowie ein optischer Detektor 104, der die Verfärbung des Kristallelements detektieren kann.
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Somit können insbesondere Füll- und Grenzstandsensoren mit einer zusätzlichen energieautarken Überwachung der Temperatur (Prozess, Sensorik, Elektronik, Gehäuse...) über die Zeit ausgestattet werden. Die Temperaturüberwachung erfolgt beispielsweise mithilfe eines künstlichen Opals. Die Auswertung der Verfärbung des Opals kann automatisch vorgesehen sein, beispielsweise mithilfe einer optischen Sensorik über das Sende-/Empfängerprinzip. Insbesondere können LEDs und/oder Fotodioden oder auch eine Kamera verwendet werden.
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Hohe kurzfristige Temperaturerhöhungen verfärben das Kristallelement schneller als langfristige, kleinere Temperaturen. Die Verfärbung des Kristallelements entspricht hierbei der temperaturbedingten Belastung des Sensors. Die schnelle Verfärbung spricht also für eine hohe außergewöhnliche Belastung des Sensors.
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Temperaturen und insbesondere Temperaturspitzen können somit auch bei ausgeschaltetem oder nicht angeschlossenem Sensor dauerhaft erfasst und (nach Einschalten) ausgewertet werden.
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Insbesondere kann auch die Dauer einer Temperaturüberschreitung detektiert werden, da die Farbänderung des Kristallelements mit dieser korreliert. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Temperatursicherungen oder Temperaturdehnmessstreifen, die einmalig auslösen und keine Auskunft über die Dauer und Identität der Temperaturerhöhung geben.
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Über einen Vergleich mit der vorherigen Messung kann eine Aussage über den Temperaturverlauf bis zur aktuellen Messung erfolgen. Für die Erfassung der Temperatur über die Zeit ist keine elektrische Energie notwendig. Dies ist ideal für autarke Sensoren, bei denen die elektrische Energie beschränkt ist. Insbesondere kann die Temperaturüberwachung auch bei eingelagerten Sensoren oder während des Transports der Sensoren erfolgen.
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Die spätere Auswertung der Verfärbung des Kristallelements kann zyklisch erfolgen und ist nicht permanent notwendig. Auch dies führt zu einer Energieeinsparung. Beispielsweise kann die Auswertung zyklisch, z. B. bei jedem Sensorstart, oder auch abhängig von anderen frei konfigurierbaren Parametern erfolgen. Insbesondere kann die Auswertung ereignisgesteuert erfolgen.
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Der Sensor bzw. die Auswerte- und Steuereinheit kann derart eingerichtet sein, dass bei Überschreitung von Grenzwerten eine entsprechende Fehlermeldung und/oder Aktion ausgelöst wird, z.B. das Versenden einer Nachricht über eine Leitung oder über ein Funksignal .
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Die Temperaturüberwachung kann als Zusatzmodul nachrüstbar ausgeführt sein und beispielsweise am Prozessanschluss, am Gehäuse oder im Gehäuseinneren angeordnet werden.
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Der Start der Verfärbung bzw. der Temperaturbereich kann je nach Auslegung des Kristallelements voreingestellt werden.
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Eine Überschreitung der Temperatur kann einfach und direkt erfasst werden. Insbesondere ist die Temperaturüberwachung nicht manipulierbar. Es handelt sich um eine permanente, autarke Wächterfunktion ohne zusätzliche Energieversorgung, die insbesondere auch Vorteile bei einer vorausschauenden Wartung (predictive maintenance) bietet. Insbesondere kann das Kristallelement als zusätzliche Überwachung/Bewertung bei SIL-Anwendungen genutzt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn höhere Temperaturen die sichere Laufzeit des Sensors verringern können.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 301 erfolgt der Sensorstart, eine zyklische Überwachung oder eine ereignisgesteuerte Überwachung. In Schritt 302 wird das Kristallelement optisch überprüft und in Schritt 303 erfolgt die Auswertung der Prüfergebnisse und ggf. ein Vergleich zur vorherigen Überprüfung. In Schritt 304 wird bestimmt, ob es zu einer nennenswerten Temperaturüberschreitung gekommen ist, ob also die Verfärbung darauf schließen lässt, dass ein Temperaturgrenzwert überschritten wurde. Ist dies der Fall, so erfolgt in Schritt 305 eine Meldung und/oder eine Aktion. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt in Schritt 306 weiter der Normalbetrieb des Sensors (Füllstandmessung ausführen/Messwert versenden/ausschalten). Danach startet das Verfahren wieder mit Schritt 301.
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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.
