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Die Erfindung betrifft einen Multiparametersensor und ein Multisensorsystem.
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Industrielle Produktionsanlagen sind oft sehr komplex und müssen dennoch sicher und zuverlässig arbeiten.
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In diesen Produktionsanlagen, wie z.B. der chemischen, petro- und biochemischen sowie der Pharma- und Lebensmittelindustrie, werden deshalb zur Überwachung der Produktionsprozesse die unterschiedlichsten Sensoren zur Bestimmung unterschiedlicher Parameter wie z.B. Temperatur, Druck, Durchfluss, pH- Wert, Leitwert, Trübung, Stoffmenge usw. eingesetzt.
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Alle hierfür erforderlichen Sensoren und Messgeräte müssen in die Prozessanlage, unter Berücksichtigung der erforderlichen Eigenschaften wie chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit, Druckfestigkeit, „Cleaning in Place“ (CIP) und „Sterilization in Place“ (SIP), hygienische Anforderungen (z.B. EHEDG), Anforderungen der Pharmaindustrie (FDA), usw. eingebracht werden (so genannte In-Line Lösungen) oder es muss alternativ das zu messende Medium aus dem Prozess zum entsprechenden Sensorsystem gebracht werden (so genannte At-Line Lösungen).
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Neuartige Einweg-Batchprozesse („Disposal“) erfordern eine besonders kostengünstige Einbringung der Sensorik in den Prozessablauf unter Berücksichtigung besonderer Hygieneanforderungen (z.B. autoklavierbare Armaturen und Sensoren).
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Die zunehmende Miniaturisierung der Anlagen, die zunehmende Automatisierung sowie der Einzug von „Industrie 4.0“ stellen ebenfalls neue Anforderungen an den Aufbau der Anlagen.
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Eine gängige Lösung ist das Einbringen einzelner Sensoren über jeweils einen Flansch- oder Gewindeanschluss, die dann beispielsweise über T-Stücke an den Prozess angebunden werden. Hierbei wird für jede Messstelle ein eigener Anschluss verwendet. Ein Beispiel hierfür ist ein pH-Sensor „Memosens CPS11 E“ der Anmelderin.
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Eine weitere gängige Art der Implementierung der Prozesssensorik ist die Verwendung möglichst kurzer Leitungsabschnitte mit den entsprechenden Halterungen für das jeweilige Messsystem. Diese werden üblicherweise mit unterschiedlichen Leitungsquerschnitten und Prozessanschlüssen angeboten. Ein Beispiel hierfür ist ein Durchflussmessgerät „Proline Promass F 300“ aus der Firmengruppe der Anmelderin.
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Andere Lösungen erlauben das Entfernen des Sensors während des laufenden Prozesses (Armaturen) oder z.B. eine Validierung der Sensoren im Prozess, beispielsweise über eine Wechselarmatur „Cleanfit CPA472D“ der Anmelderin.
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Alle diese Lösungen sind oft lediglich für die Einbringung eines einzelnen Sensors ausgelegt. Das heißt für jeden Sensor bzw. jeden Prozessparameter ist ein eigener Adapter mit Dichtungen und evtl. unterschiedlichem Leitungsquerschnitt erforderlich.
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Die einzelnen Sensoren bzw. deren Armatur müssen bzgl. der Zulassungen geprüft und überwacht werden.
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Jede Einbringung einer Armatur oder anderen zusätzlichen Schnittstelle in den Prozess bedeutet das Einbringen von zusätzlichem Totvolumen in den Prozess, zusätzliche Schnittstellen mit Dichtungen, die evtl. versagen können, zusätzlicher Platzbedarf, erhöhter Reinigungsaufwand, und eine Gefahr der Kontaminierung.
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„At-Line“-Lösungen vereinen unterschiedliche Messsysteme zur Lösung einer bestimmten Messaufgabe, bedingen aber das Entnehmen und zumeist Verwerfen von Teilen des Prozessmediums und erfordern ebenfalls eine Schnittstelle für dessen Entnahme.
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Es sind Lösungen bekannt, die innerhalb einer Messzelle unterschiedliche optische Methoden vereinen, etwa die
EP 3 832 291 A1 . Diese Schrift beschreibt die Zusammenfassung mehrerer Messmittel innerhalb einer Messstelle, ohne diese aber komplett zu integrieren. Es ergibt sich jedoch ein relativ großes Totvolumen und eine lange Messstrecke innerhalb der Messzelle.
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Die oben beschriebenen Ausführungen beschränken sich auf wenige Parameter (z.B. optisch und Temperatur oder Absorption und Streuung) und stellen somit keine hochintegrierten Messstellen für komplette Anwendungen wie z.B. das CIP-Monitoring dar.
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Die
DE 20 2013 002 308 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchflussmessung eines strömenden Mediums, wobei die Vorrichtung einen Körper mit einer Messkammer aufweist. In der Messkammer ist zwischen einem ersten und einem zweiten Schallwandler eine Messrichtung definiert. Der erste und der zweite Schallwandler sind bevorzugt Piezowandler, welche sowohl je als Sender als auch als Empfänger fungieren bzw. fungieren können.
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Die
DE 10 2016 008 826 A1 beschreibt eine Behälter, etwa einen Mischbehälter mit einer Außenwandung, welche dazu ausgelegt ist, ein Medium einzuschließen; und eine Spektroskopiezelle, welche in und/oder an der Außenwandung angeordnet ist, wobei die Spektroskopiezelle umfasst: eine erste optische Fläche; eine zweite optische Fläche, welche der ersten optischen Fläche gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die erste optische Fläche und die zweite optische Fläche in zumindest zwei verschiedenen Abständen zueinander einstellbar sind; und ein Probenraum, welcher zwischen der ersten optischen Fläche und der zweiten optischen Fläche verortet ist, wobei in einem Messabstand der zumindest zwei verschiedenen Abstände der Probenraum mit dem Medium befüllbar ist, und wobei zur Durchführung einer spektroskopischen Messung zumindest eine optische Fläche lichtdurchlässig ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2021 214 992 A1 beschreibt einen Abgas-Bypasskühler mit einem Einlass und einem Auslass zur Verbindung des Abgas-Bypasskühlers mit einer Abgasleitung beispielsweise einer Brennkraftmaschine und mit einer Bypassleitung, die den Einlass mit dem Auslass verbindet und einen zur Abgasleitung parallelen Pfad darstellt, und mit einer an der Bypassleitung vorgesehenen Anschlussstelle zum Anschluss eines Abgassensors.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere ist die Aufgabe, ein für viele verschiedene Anwendungen geeignetes Messsystem als Lösung für Standardprozesse vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Multiparametersensor nach dem Anspruch 1 und ein Multisensorsystem nach Anspruch 15.
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Gemäß dem ersten Anspruch wird die Aufgabe gelöst durch einen Multiparametersensor zur Messung von zumindest zwei Messgrößen von flüssigen oder gasförmigen Medien, umfassend ein im wesentlichen ringförmiges Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum, wobei das Medium durch den Gehäuseinnenraum fließt; zumindest einen optischen Sensor mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger, wobei die Lichtquelle Sendelicht in den Gehäuseinnenraum sendet, das Sendelicht durch das Medium in Empfangslicht gewandelt wird, und das Empfangslicht vom Lichtempfänger empfangen wird, wobei das Sendelicht senkrecht zur Flussrichtung des Mediums gesendet wird bzw. das Empfangslicht senkrecht zur Flussrichtung des Mediums empfangen wird; eine Sensorinnenhalterung, die sich entlang der Flussrichtung erstreckt und den Gehäuseinnenraum in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt, wobei die Sensorinnenhalterung über zumindest einen Steg, bevorzugt zwei Stege, mit dem Gehäuse verbunden ist und dadurch im Gehäuseinnenraum gehalten wird; und zumindest einen nicht-optischen Sensor, der in der Sensorinnenhalterung angeordnet ist, wobei der nicht-optische Sensor zumindest einen sensitiven Bereich umfasst, der mit dem Medium in Flussrichtung in Kontakt steht.
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Durch den beanspruchten Multiparametersensor ergibt sich die Vermeidung von mehreren einzelnen Messstellen im Prozess, mit entsprechenden vielen Schnittstellen und Messgeräten. Es entfallen unterschiedliche Prozessinterfaces der Sensoren mit entsprechender Komplexität und Kosten beim Einbau in der Anlage. Der aufwendige Austausch und Wartung der Messgeräte wird verringert. Große Toträume werden vermieden. Der Platzbedarf durch mehrere Messstellen wird verringert. Durch die Trennung zwischen mechanischen und optischen Komponenten umgehend direkt in der Nähe vom Medium für Temperatur und feuchtempfindlicher Hardware bzw. Schnittstellekomponenten, gewinnt das System an Stabilität und Zuverlässigkeit. Eine zusätzliche Temperaturbarriere (siehe unten) zwischen Gehäuse und Messumformer kann dies noch verbessern, falls die Temperatur des Mediums hoch ist oder die Sterilisationszyklen häufiger durchgeführt werden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem optischen Sensor um einen Trübungssensor, Fluoreszenzsensor, einen Absorptionssensor, insbesondere spektroskopischen Sensor, im UV-VIS oder NIR-Bereich oder einen kolorimetrischen Sensor handelt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lichtquelle über Lichtwellenleiter und über ein optisches Fenster am Gehäuse in den Gehäuseinnenraum das Sendelicht sendet, und wobei der Lichtempfänger über ein, insbesondere weiteres, optisches Fenster am Gehäuse und über Lichtwellenleiter das Empfangslicht empfängt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lichtquelle über Lichtwellenleiter und über ein optisches Fenster am Gehäuse in den Gehäuseinnenraum das Sendelicht sendet, und wobei der Lichtempfänger über ein optisches Fenster an der Sensorinnenhalterung Empfangslicht empfängt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Multiparametersensor zumindest zwei optische Fenster am Gehäuse des Multiparametersensors oder an der Sensorinnenhalterung umfasst, wobei die Fenster in Flussrichtung des Mediums zueinander versetzt angeordnet sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensorinnenhalterung asymmetrisch im Gehäuseinnenraum angeordnet ist und damit der erste Bereich und der zweite Bereich unterschiedlich groß sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Multiparametersensor zwei optische Sensoren umfasst, und zwar einen im ersten Bereich und einen im zweiten Bereich, insbesondere ist der Abstand vom optischem Fenster der Lichtquelle zum optischem Fenster des Lichtempfängers im ersten bzw. zweiten Bereich unterschiedlich, wodurch sich zwei optische Sensoren mit unterschiedlichen Pfadlängen ergeben.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse eine Einkerbung umfasst, insbesondere umfassend den Steg, wobei diese als Blasenfalle ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Multiparametersensor zwei nicht-optische Sensoren umfasst, die in der Sensorinnenhalterung gegenüberliegend angeordnet sind und jeweils über einen sensitiven Bereich Kontakt mit dem Medium haben.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei den nicht-optischen Sensoren um einen pH-Sensor und einen Leitfähigkeitssensor handelt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei den nicht-optischen Sensoren um zwei Temperatursensoren handelt und über diese der Durchfluss durch den Multiparametersensor ermittelt wird.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse, der Steg und/oder die Sensorinnenhalterung Kühlkanäle umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse, der Steg und/oder die Sensorinnenhalterung Kanäle für Reinigungsmedium umfasst, wobei das Gehäuse, der Steg und/oder die Sensorinnenhalterung Flachdüsen umfassen, die mit den Kanälen in Verbindung stehen, wobei die Flachdüsen in Richtung der optischen Fenster ausgerichtet sind und diese über das Reinigungsmedium reinigen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse, der Steg und/oder die Sensorinnenhalterung Kanäle für Referenz- und Kalibriermedium umfasst, wobei das Gehäuse, der Steg und/oder die Sensorinnenhalterung Flachdüsen umfassen, die mit den Kanälen in Verbindung stehen, wobei die Flachdüsen in Richtung einer Tasche ausgerichtet sind, die dazu ausgestaltet ist, den sensitiven Bereich des nicht-optischen Sensors aufzunehmen und diesen zu kalibrieren.
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Es ergeben sich somit in einer Ausgestaltung drei Arten von Leitungen: für die Bewegung des Sensors, für die Reinigung und für die Kalibrierung. Vorteilhaft sind jeweils zwei Kanäle.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch Multisensorsystem, umfassend zumindest einen Multiparametersensor nach einem der vorherigen Ansprüche; einen ersten und zweiten Prozessanschluss, der jeweils zu einer Seite des Multiparametersensors angeordnet ist; und eine Datenverarbeitungseinheit, die mit dem optischen Sensor und nicht-optischen Sensor elektrisch und gegebenenfalls optisch verbunden ist.
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Es ergibt sich somit ein Multisensorsystem zur In-Line Bestimmung mehrerer Prozessparameter wie etwa Leitwert, pH- Wert, Temperatur, Streuung, Durchfluss, Stoffmenge und anderen. Eine Kombination unterschiedlicher Fertigungsverfahren wie Laserschmelzen, additive Fertigungsverfahren und mechanische Bearbeitung zur Erzeugung integrierter Lichtleiter-, Luft- und Wasserkanälen sowie optischer, mechanischer, akustischer und elektronischer Schnittstellen ermöglicht die Fertigung. Das Multisensorsystem hat einen modularen Aufbau mit Prozessanbindung über standardisierte Adapter und Verwendung mehrerer Multiparametersensor innerhalb eines Multisensorsystems.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen Multiparametersensor und Datenverarbeitungseinheit eine thermische Entkopplung angeordnet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Datenverarbeitungseinheit Teil eines Messumformers mit Bedienungseinheiten und/oder Display ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Multisensorsystem einen Multiparametersensor umfasst, mit einem ersten und zweiten Adapterstück zu jeder Seite des Multiparametersensors und dem ersten und zweiten Prozessanschluss im Anschluss zum ersten bzw. zweiten Adapterstück.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Multisensorsystem zwei Multiparametersensoren umfasst, wobei zwischen den beiden ein Zwischenstück angeordnet ist und der erste und zweite Prozessanschluss zu den äußeren Seiten der Multiparametersensoren angeordnet sind.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
- 1a-d zeigt den beanspruchten Multiparametersensor in einer Ausgestaltung in verschiedenen Ansichten mit und ohne thermische Entkopplung.
- 2a/b zeigt den beanspruchten Multiparametersensor in einer Ausgestaltung.
- 3a/b zeigt das beanspruchte Multisensorsystem.
- 4a/b zeigt das beanspruchte Multisensorsystem in einer Übersicht und im Querschnitt.
- 5 zeigt das beanspruchte Multisensorsystem im Querschnitt mit den nicht-optischen Sensoren.
- 6a-f zeigen den pH-Sensor mit dem sensitiven Bereich mit der Möglichkeit der Reinigung/Kalibrierung.
- 7a/b zeigt das beanspruchte Multisensorsystem in Ausgestaltungen.
- 8a/b zeigt das beanspruchte Multisensorsystem in Ausgestaltungen samt Querschnitt.
- 9a/b zeigt das beanspruchte Multisensorsystem in Ausgestaltungen samt Querschnitt.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das beanspruchte Multiparametersensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1a und 1b dargestellt. 1b zeigt den Multiparametersensor 1 aus 1a im Querschnitt.
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Der Multiparametersensor 1 hat ein im wesentlichen ringförmiges Gehäuse 2 mit einem Gehäuseinnenraum 3. Durch diesen Gehäuseinnenraum 3 fließt das zu messende Medium 4. Der Multiparametersensor 1 umfasst zumindest einen optischen Sensor mit einer Lichtquelle 5 und einem Lichtempfänger 6, in 1b dargestellt ist noch eine zweite Lichtquelle 8 und ein zweiter Lichtempfänger 9, siehe unten. Die Lichtquelle 5 sendet Sendelicht in den Gehäuseinnenraum 3, das Sendelicht wird durch das Medium 4 in Empfangslicht gewandelt, und das Empfangslicht wird vom Lichtempfänger empfangen.
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Bei dem optischen Sensor handelt es um einen Trübungssensor, Fluoreszenzsensor, einen Absorptionssensor, insbesondere spektroskopischen Sensor, im UV-VIS oder NIR-Bereich oder einen kolorimetrischen Sensor. Das Sendelicht wird senkrecht zur Flussrichtung des Mediums 4 gesendet wird bzw. das Empfangslicht senkrecht zur Flussrichtung des Mediums 4 empfangen. Dies wird deutlich im Querschnitt in 1b. Die Lichtquelle 5, 8 sendet das Sendelicht über Lichtwellenleiter 14 und über optische 13 Fenster am Gehäuse 2 in den Gehäuseinnenraum 3. Die Lichtquelle 5, 8 ist außerhalb des Multiparametersensors 1 angeordnet, etwa im Messumformer 22, siehe unten, wobei die Lichtwellenleiter 13 das Licht von der Quelle 5, 8 zum Fenster 13 leiten. Die Lichtquelle 5, 8 (und auch der Messumformer 22) kann auch etliche Meter entfernt angeordnet sein. Es sind auch Ausgestaltungen möglich mit einer Quelle und zwei Empfängern; die beiden optischen Sensoren unterscheiden sich dann beispielsweise nur in der optischen Pfadlänge, siehe unten. Es sind auch Ausgestaltungen möglich mit zwei Quellen und einem Empfänger, wobei dann nacheinander gemessen wird.
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In einer Ausgestaltung könnte der optische Sensor als Trübungssensor ausgestaltet sein. Über das Fenster unten rechts wird dann Sendelicht eingestrahlt, während im 90 ° Winkel dazu das Empfangslicht am Fenster oben rechts empfangen wird. Dann wird das Sendelicht durch Streuung in Empfangslicht „gewandelt“. Dies ist dargestellt in 1b mit dem gestrichelt eingezeichneten Sendelicht 7a und Empfangslicht 7b.
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In einer anderen Konstellation wird beispielsweise Absorption gemessen („Wandlung“ des Sendelichts durch Absorption in Empfangslicht), dann wird über das Fenster 13 unten rechts gesendet und über das gegenüber in der Sensorinnenhalterung 10 (siehe unten) angeordnete Fenster 13 empfangen. Eine umgekehrte Konstellation ist möglich, also dass von der Sensorinnenhalterung 10 ausgesendet wird. Für die beiden Fenster 13 links bzw. die Lichtquelle 5 und Lichtempfänger 6 gilt das gleiche. Es gibt also zwei Varianten: es wird über Fenster 13 am Gehäuse 2 gesendet und empfangen oder ein Fenster 13 befindet sich in der Sensorinnenhalterung 10. 1a/b zeigen im ersten Bereich 3.1 drei optische Fenster 13, dadurch können eines als Sendefenster und zwei als Empfangsfenster verwendet werden, etwa zur Messung von Trübung und Absorption wie oben beschrieben.
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Die Sensorinnenhalterung 10 erstreckt sich entlang der Flussrichtung des Mediums 5 und teil den Gehäuseinnenraum 3 in einen ersten Bereich 3.1 und einen zweiten Bereich 3.2. Die Sensorinnenhalterung 10 wird über zumindest einen Steg 16, bevorzugt zwei Stege, mit dem Gehäuse 2 verbunden und dadurch im Gehäuseinnenraum 3 gehalten
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Die Sensorinnenhalterung 10 ist asymmetrisch im Gehäuseinnenraum 3 angeordnet, wodurch der erste Bereich 3.1 und der zweite Bereich 3.2 unterschiedlich groß sind.
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Umfasst der Multiparametersensor 1 zwei optische Sensoren wie in 1a/b dargestellt, wird Licht von der Lichtquelle 5, 8 in den ersten Bereich 3.1 und den zweiten Bereich 3.2 gesendet. Dadurch ist der Abstand vom optischem Fenster 13 der Lichtquelle 5, 8 zum optischem Fenster 5 des Lichtempfängers 6, 9 im ersten bzw. zweiten Bereich 3.1, 3.2 unterschiedlich, wodurch sich zwei optische Sensoren mit unterschiedlichen Pfadlängen ergeben. In einer Ausgestaltung ist der Abstand gleich und es ergibt sich die gleiche Pfadlänge, wodurch sich Redundanzmessungen ergeben. Die ausgestrahlte Wellenlänge kann hierbei aber unterschiedlich sein.
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In der Sensorinnenhalterung 10 befindet sich zumindest ein nicht-optischer Sensor 11, 12, siehe unten. Der nicht-optische Sensor 11, 12 umfasst zumindest einen sensitiven Bereich, der mit dem Medium 4 in Flussrichtung in Kontakt steht.
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Das Gehäuse 2umfasst eine Einkerbung, wobei diese als Blasenfalle 15 ausgestaltet ist. Die Blasenfalle befindet sich an oberster Seite. An dieser Stelle ist das Gehäuse 2 verengt und das Medium beschleunigt durch die Geometrie des Steges. Etwaige Luftblasen werden weggerissen und mit dem Medium in Durchflussrichtung mitgenommen. Durch Verlängerungen von Rippen an der Abflussseite oder durch eine Verjüngung auf beiden Seiten des oberen Stegs kann die Beschleunigung an dieser Stelle erhöht werden.
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Das Gehäuse 2, der Steg 16 und/oder die Sensorinnenhalterung 10 umfasst Kühlkanäle 17 zum Kühlen der Fenster 13, der Lichtwellenleiter 14, des Gehäuses 2 oder des Mediums 4. Durch die Kühlkanäle 17 fließt etwa kühle Luft oder eine gekühlte Flüssigkeit. Entsprechende Pumpen sind dann vorhanden und werden über den Messumformer 22 gesteuert, siehe unten.
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Das Gehäuse 2, der Steg 16 und/oder die Sensorinnenhalterung 10 umfasst Kanäle 18 für Reinigungsmedium, wobei das Gehäuse 2, der Steg 16 und/oder die Sensorinnenhalterung 16 Flachdüsen 19 umfassen, die mit den Kanälen 18 in Verbindung stehen, wobei die Flachdüsen 19 in Richtung der optischen Fenster 19 ausgerichtet sind und diese über das Reinigungsmedium reinigen. Bei dem Reinigungsmedium handelt es sich etwa um Druckluft oder Reinigungsflüssigkeit, etwa mit alkoholischen Anteilen. Ebenso kann die Flachdüse 19 als Ultraschallwandler ausgestaltet sein und es kann das Fenster 14 mit Ultraschall gereinigt werden. Die Kanäle 18 sind dann entsprechend ausgestaltet. In der 1 b ist nur eine Flachdüse 19 für ein Fenster 13 dargestellt, grundsätzlich kann jedes Fenster 13 damit ausgestattet sein. Die Steuerung der Reinigung erfolgt über den Messumformer 22, siehe unten.
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2a/b zeigt den Multiparametersensor 1 in einer Ausgestaltung. 2b zeigt den Multiparametersensor 1 aus 2a im Querschnitt. Der Übersichtlichkeit halber sind nicht alle Merkmale mit Bezugszeichen versehen. Grundsätzlich gilt das zu 1a/b gesagte.
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Der Multiparametersensor 1 aus 2a/b umfasst insgesamt vier optische Fenster 13, je zwei im ersten und zweiten Bereich 3.1, 3.2. Somit kann hier etwa durch die optischen Sensoren Absorption mit zwei Pfadlängen mit nur einer Einheit (also dem Multiparametersensor 1) gemessen werden.
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3a/b zeigen das Multisensorsystem 20 in zwei Ausgestaltungen in einer Übersicht mit jeweils unterschiedlichem Prozessanschluss. Dies zeigen auch die 7a/b in einer anderen Darstellung, siehe unten.
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4a/b zeigt das Multisensorsystem 20. 4b zeigt das Multisensorsystem 20 aus 4a im Querschnitt.
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5 zeigt das beanspruchte Multisensorsystem 20 im Querschnitt mit den nicht-optischen Sensoren 11, 12.
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Das Multisensorsystem 20 umfasst zumindest einen Multiparametersensor 1 wie beschrieben. Der Multiparametersensor 1 wird über ein einen ersten und zweiten Prozessanschluss 24, der jeweils zu einer Seite des Multiparametersensors 1 angeordnet ist mit dem Prozesse und damit mit dem zu messenden Medium 4 verbunden. Der Multiparametersensor 1 ist über ein oder mehrere Halterungselemente 21 (siehe 1 a/b, 2a/b) mit einem Adapter 26 und dieser wiederum mit dem Prozessanschluss 24 verbunden. Die Halterungselemente 21 sind beispielsweise als durchgängige Bohrungen ausgestaltet und die einzelnen Elemente werden dadurch zusammengeschraubt. Der Adapter 26 und der Prozessanschluss 24 hat ebenfalls entsprechende Halterungselemente 21. Etwaig notwendige Dichtungen sind am Multiparametersensor 1, Adapter 26 und Prozessanschluss 24 angeordnet. Ebenso ist eine Ausgestaltung ohne Adapter 26 möglich, d.h. der Multiparametersensor 1 ist mit dem Prozessanschluss 24 verbunden.
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Weiter umfasst das Multisensorsystem 20 eine Datenverarbeitungseinheit 23, die mit dem optischen Sensor bzw. Sensoren und nicht-optischen Sensor bzw. Sensoren elektrisch verbunden ist. Die Datenverarbeitungseinheit 23 ist Teil eines Messumformers 22 mit Bedienungseinheiten und/oder Display. Die Lichtquelle 5, 8 bzw. der Lichtempfänger 6, 9 können Teil des Messumformer 22 sein. Dann ist der Messumformer 22 auch optisch mit den optischen Sensoren verbunden. Über den Messumformer 22 bzw. die Datenverarbeitungseinheit 23 werden Sensordaten an eine übergeordnete Einheit (nicht dargestellt) weitergeleitet, etwa an ein Leitsystem über einen Bus, oder ein Mobilgerät, etwa über eine Drahtlosverbindung wie Bluetooth. Der Multiparametersensor 1 kann über Adapter 26 mit dem Prozessanschluss verbunden sein.
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Zwischen Multiparametersensor 1 und Datenverarbeitungseinheit 23 / Messumformer 22 ist eine thermische Entkopplung 25 angeordnet ist. Da der Prozess mit dem Medium 4 häufig sehr heiß ist, ergibt sich durch die Entkopplung 25, dass die empfindliche Elektronik in der Datenverarbeitungseinheit 23 und die Lichtquelle 5, 8 und -empfänger 6,9 thermisch entkoppelt sind. Dies zeigen auch die 1c und 1d für die Ansichten aus den 1a und 1b. Die thermische Entkopplung 25 kann passiv sein wie abgebildet, aber auch aktiv - etwa durch eine Wasserkühlung. Dann verlaufen Wasserkanäle entlang oder die thermische Entkopplung. Zusätzliche Isolationsschichten können die Entkopplung verstärken.
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In den 4b, 5, 8b und 9b können die nicht-optischen Sensoren 11, 12 erkannt werden. Bei diesen Abbildungen schaut man 90 ° versetzt zu den 1b, 1d und 2b.
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Die nicht-optischen Sensoren 11, 12 sind in der Sensorinnenhalterung 10 gegenüberliegend angeordnet. Der erste nicht-optische Sensor 11 ist beispielsweise ein Leitfähigkeitssensor, der zweite nicht-optische Sensor 12 ist beispielsweise ein pH-Sensor. Der Leitfähigkeitssensor ist etwa als konduktiver Leitfähigkeitssensor mit zwei oder vier Elektroden ausgestaltet. Der pH-Sensor ist etwa als ISFET ausgestaltet. Die Elektroden bzw. der ionenselektive Bereich ist der „sensitive Bereich“ des Sensors 11, 12 und mit dem Bezugszeichen 11a, 12a gekennzeichnet. Über den sensitiven Bereich haben die Sensoren 11, 12 Kontakt mit dem Medium 4.
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In einer Ausgestaltung sind die nicht-optischen Sensoren 11, 12 beide als Temperatursensoren ausgestaltet. Über die Temperatursensoren kann der Durchfluss durch den Multiparametersensor 1 ermittelt werden.
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Wie erwähnt umfasst der Multiparametersensor 1 zumindest zwei optische Fenster 13. In einer Ausgestaltung sind diese in Flussrichtung des Mediums 4 zueinander versetzt angeordnet. Der Multiparametersensor 1 kann auch einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger umfassen. Diese sind so ausgerichtet, dass diese durch die Fenster senden. Sind die Fenster wie oben beschrieben versetzt angeordnet, kann dadurch der Durchfluss durch den Multiparametersensor 1 bestimmt werden. Die Schallimpulse werden nacheinander jeweils vom einen zum anderen Fenster gesendet, und die Laufzeiten zwischen dem Senden und Empfangen wird gemessen. Die Differenz der Zeiten ist proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit in dem Messpfad.
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Das gleiche Prinzip kann am vorliegenden Multiparametersensor 1 in den beiden Bereichen 3.1 und 3.2 gemacht werden, man erhält also zwei Messpfade, was mehr Informationen über das Strömungsprofil liefert.
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Auch eine Kombination daraus ist möglich, also ein Leitfähigkeitssensor mit einem Temperatursensor oder ein pH-Sensor mit einem Temperatursensor. Dann kann jeweils der Temperatursensor als Messung der Sekundärgröße für die Leitfähigkeit bzw. den pH-Wert ausgestaltet sein, da die Leitfähigkeit als auch der pH-Wert hochgradig temperaturabhängig sind.
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Die nicht-optischen Sensoren 11, 12 sind in Flussrichtung des Mediums 4 ausgerichtet. Medium 4 fließt beispielsweise in 5 von links nach rechts, d.h. der erste nicht-optische Sensor 11 wird direkt angeströmt, der zweite nicht-optische Sensor 12 wird nach Durchtritt des Mediums 4 durch die Bereiche 3.1 und 3.2 umströmt. Die optischen Sensoren bzw. die dazu zugeordneten Fenster 3 sind zu den Sensoren 11, 12 senkrecht, also auch senkrecht zur Flussrichtung, ausgereichtet (in 4a/b also beispielsweise in die Blattebene hinein).
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6a zeigt einen Ausschnitt der Sensorinnenhalterung 10 mit dem pH-Sensor 12 und dessen sensitiver Bereich 12a in einer 3-D Ansicht. 6b zeigt die Sensorinnenhalterung 10 mit dem pH-Sensor 12 und dessen sensitiver Bereich 12a in einer Ansicht entlang der Flussrichtung des zu messenden Mediums 4. In diesen Ansichten ist der Sensor 12 in Messposition.
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6c zeigt den Multiparametersensor 1 im Querschnitt, wobei die verschiedenen Leitungen sichtbar sind. Zentral, in der großen Öffnung ist bzw. sind die Sensoren 11, 12 angeordnet. Sichtbar sind die Leitungen zum Drehen des Sensors (Bezugszeichen 28), für Reinigungsflüssigkeit (Bezugszeichen 29), und für Referenzflüssigkeit (Bezugszeichen 30). Abgebildet sind jeweils zwei Leitungen, Ausgestaltungen mit jeweils nur einer oder eine Kombination sind möglich.
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6d zeigt den Sensor 12 in Serviceposition im Querschnitt. In der Serviceposition kann der Sensor 12 gereinigt oder kalibriert werden. Der Sensor 12 kann entlang seiner Längsachse gedreht werden, beispielsweise um 180 °. Dazu umfasst die Sensorinnenhalterung 10 die Leitungen 28 zum Drehen des Sensors 12. Die Leitungen 28 sind beispielsweise Druckluftleitungen. Der Sensor 12 umfasst eine oder mehrere Aussparungen in welche Druckluft eingebracht wird. Die Sensorinnenhalterung 10 umfasst einen Anschlag für die Endposition (Serviceposition) des Sensors 12. Sichtbar in diesem Querschnitt sind die Leitungen 29 zum Einbringen von Reinigungsmedium. Der Sensor 12 kann auch während der Drehung gereinigt werden. Reinigungsmedium kann Wasser, Druckluft, Stickstoff oder eine Kombination daraus sein.
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6e zeigt den Sensor 12 mit dem sensitiven Bereich 12a in Messposition im Querschnitt. Der Querschnitt in 6e zeigt eine andere Perspektive als in 6d. Deswegen sind hier die Leitungen bzw. eine Leitung für die Referenz- und Kalibrierflüssigkeit sichtbar (Bezugszeichen 30). Sichtbar ist ebenfalls eine Art Tasche (kleines Behältnis) für Referenz- und Kalibrierflüssigkeit, die dazu genutzt wird, den Sensor 12 in der Serviceposition zu Kalibrieren.
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6f zeigt einen Ausschnitt der Sensorinnenhalterung 10 von oben ohne Sensor. Zu sehen sind zwei Reinigungsleitungen 29 für den Sensor 12. Über diese Reinigungsleitungen 29 kann der Sensor 12 während der Bewegung von Mess- in Serviceposition (oder umgekehrt) gereinigt werden, beispielsweise mit Druckluft oder Reinigungsmedium. Sichtbar ist auch der Austritt der Leitungen 30 für Referenz- und Kalibriermedium. Ebenso sichtbar ist die Tasche 31 als Bereich, in dem der Sensor 12 kalibriert wird.
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7a/b zeigt das Multisensorsystem 20 in zwei Ausgestaltungen mit unterschiedlichen Prozessanschlüssen 24. 6a zeigt den Anschluss 24 als DN50, 7a als DN25 und 7b symbolisch, etwa als Biocontol, Tri-Clamp, Din-Clamp, Flansch oder anderen.
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8a/b zeigt das Multisensorsystem 20 in einer Ausgestaltung, 8b zeigt den Querschnitt des Multisensorsystems 20 aus 8a. Die Ausgestaltung umfasst einen Multiparametersensor 1 mit Zwischenstück 27 zur Durchflussverlängerung.
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9a/b zeigt das Multisensorsystem 20 in einer Ausgestaltung, 9b zeigt den Querschnitt des Multisensorsystems 20 aus 8a. Diese Ausgestaltung umfasst zwei Multiparametersensoren 1, wobei zwischen den beiden Multiparametersensoren 1 ein Zwischenstück 27 angeordnet ist und der erste und zweite Prozessanschluss 24 zu den äußeren Seiten der Multiparametersensoren 1, gegebenenfalls über Adapter 26, angeordnet sind.
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Durch den Einsatz neuartiger Fertigungsmöglichkeiten (z.B. additive Verfahren, selektives Laserschmelzen, und hybride Konzepte in der Fertigung) ist es möglich, kleine Kanäle mit komplexen Geometrien zur Führung z.B. optischer Strahlung mittels Lichtleitern, oder als Kühl- und Reinigungskanäle sowie Blasenfallen zu realisieren. Ein modulares Konzept bzgl. der Prozessanschlüsse und die Anpassung an die unterschiedlichen Leitungsquerschnitte ermöglicht hierbei den flexiblen Einsatz eines solchen Multisensorsystems 20.
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Das Multisensorsystems 20 hat folgende Eigenschaften: Das Einbringen mehrerer Sensortechniken innerhalb einer Schnittstelle ist möglich. Es bietet die Möglichkeit der Bereitstellung einer Lösung zur Prozessüberwachung innerhalb einer Messstelle für unterschiedliche Parameter. Es können unterschiedliche Parameter bzw. die Kombination unterschiedlicher Methoden realisiert werden, wie beispielsweise UV/VIS/NIR Spektroskopie, Messung der Trübung, Leitfähigkeit, des pH- Wertes, der Temperatur, Durchflusses. Somit ist eine komplette Anwendung In-Line umsetzbar, etwa mit:
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- • Biermessung: Farbe, Trübung, Leitfähigkeit
- • CIP: Trübung, Leitfähigkeit, UV
- • Molkerei: CIP, NIR (Fett, Protein)
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Synergieeffekte unterschiedlicher Sensormethoden sind zugänglich (beispielsweise Absorption/Streuung). Die einzelnen Sensoren sind schnell austauschbar. Das Multisensorsystems 20 ist SIP- und CIP- fähig. Der Multiparametersensor 1 ermöglicht eine integrierte (Luft-) Reinigung der Messfenster; es ist eine Blasenfalle integriert und eine Kühlung der Sensoren wird ermöglicht. Es ergibt sich eine simultane Messwerterfassung mit gleichen Produkteigenschaften (Allgemeinbedingungen des Mediums wie Temperatur, Druck, Durchfluss, usw.). Zulassungsanforderungen wie EHEDG, FDA, ASME, DGRL werden erfüllt mit dem hygienischen Design, wobei Dichtungen und Geometrien für Formdichtungen/O-Ringe reinigbar sind; Leckagebohrung ist umsetzbar, wenn erforderlich. Durch die Trennung mechanisch-optischer und mechanisch-elektrischer Komponenten innerhalb des Multisensorsystems 20, können höhere Temperatur- und Druckanforderungen der Anwendung ermöglicht werden. Es werden Strömungsstörungen innerhalb der Prozessleitung minimiert, mit geringer Verminderung des Durchflusses durch anpassbaren Querschnitt und beliebige Anordnung der Messkomponenten und Flächen. Es ergibt sich eine Robustheit der Messungen durch die integrierte Erfassung unterschiedlicher Parameter an derselben Messstelle. Eine Redundanzmessung als Verifizierungsmethode und Auswertung ist möglich. Es werden Toträume reduziert durch anpassbaren Querschnitt und Reduktion der Messstellen. Die Wartung wird vereinfacht aufgrund der komplett zerlegbaren Konstruktion. Eine Reduzierung des Platzbedarfs durch den kompakten Aufbau und Integration mehrerer Messparameter in einem einzigen Multisensorsystems 20 ergibt sich von selbst. Gleiche Lichtquelle und Elektronik könnten für mehrere Parameter verwendet werden. Die Anzahl der Messstellen in der Anlage werden reduziert, was mit Kosteneinsparungen und gleicher Schnittstelle für den Endanwender zur Ermittlung der Werte einhergeht. Es ergibt sich mehr Flexibilität durch modulare Bauweise, mit möglicher Erweiterung der Messparameter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Multiparametersensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Gehäuseinnenraum
- 3.1
- 1. Bereich von 3
- 3.2
- 2. Bereich von 3
- 4
- Medium
- 5
- Lichtquelle
- 6
- Lichtempfänger
- 7a
- Sendelicht
- 7b
- Empfangslicht
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Lichtempfänger
- 10
- Sensorinnenhalterung
- 11
- nicht-optischer Sensor
- 11 a
- sensitiver Bereich von 11
- 12
- nicht-optischer Sensor
- 12a
- sensitiver Bereich von 12
- 13
- Fenster
- 14
- Lichtwellenleiter
- 15
- Blasenfalle
- 16
- Steg
- 17
- Kühlkanal
- 18
- Reinigungskanal
- 19
- Flachdüsen
- 20
- Multisensorsystem
- 21
- Halterungselement
- 22
- Messumformer
- 23
- Datenverarbeitungseinheit
- 24
- Prozessanschluss
- 25
- thermische Entkopplung
- 26
- Adapter
- 27
- Zwischenstück
- 28
- Leitung für Drehung von 12
- 29
- Reinigungsleitung für 12
- 30
- Referenzleitung für 12
- 31
- Tasche zum Kalibrieren
