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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mit einer Sauerstoff-Messeinrichung
ausgestattetes Anlagenteil, in dem insbesondere Prozesse ablaufen,
bei denen eine Explosionsgefahr auftreten kann.
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Anlagenteile,
wie Behälter
oder Apparate, bei denen eine Explosionsgefahr auftreten kann, sind in
der Regel mit Sauerstoff-Messeinrichtungen ausgestattet. Diese dienen
zur Überwachung
des Sauerstoffgehalts in ihrem Inneren. Überschreitet dieser eine bestimmte
Grenze, so sind umgehend Maßnahmen
bei der Prozessführung
einzuleiten, um das Explosionsrisiko auszuschalten. Für den Betrieb
derartiger Anlagen bzw. Anlagenteilen ist die absolute Funktionsfähigkeit
der Sauerstoff-Messeinrichtung unverzichtbar.
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In
herkömmlichen
Anlagen werden hierzu folgende alternativen Sauerstoff-Messeinrichtungen eingesetzt
bzw. Sauerstoffmessungen durchgeführt:
- a)
Proben des sich im Inneren des Anlagenteils befindlichen Gasgemisches
werden entnommen und auf ihren Sauerstoffgehalt hin untersucht. Dieses
erfolgt in der Regel in Analysatoren, beispielsweise paramagnetischen
Sauerstoff-Analysatoren,
die sich in einiger Entfernung zum Anlagenteil befinden. Die entnommenen
Proben müssen
in aller Regel vorab aufbereitet werden, da die Analysatoren Stäube und/oder
bestimmte Chemikalien nicht vertragen. Der Investitionsaufwand für eine derartige
Messeinrichtung ist vergleichsweise hoch.
- b) Es sind auch bereits elektrochemische Sensoren bekannt, die
sich zur Analyse und der Überwachung
des Sauerstoffgehalts in Gasen und Flüssigkeiten, beispielsweise
des Sauerstoffgehalts von Atemluft oder von Gewässern, eignen. Diese Sensoren
sind auch bereits bei der Überwachung
des Inneren von Anlagenteilen eingesetzt worden. Solche Sensoren
weisen eine Elektrolytkammer auf, die gegenüber der Probe mit einer zumindest
für Sauerstoff
permeablen Membran abgedichtet ist. Es hat sich herausgestellt, dass
derartige Sauerstoff-Sensoren
altern können oder
beim Betrieb verschmutzen können,
was insbesondere beim Dauerbetrieb zu einer fehlerhaften Messwertanzeige
der gesamten Sauerstoff-Messeinrichtung
führen
kann. Die durch die fehlerhafte Sauerstoffüberwachung gegebenenfalls auftretende
Explosionsgefahr stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Dem kann nur
durch hohen Wartungs- und Überwachungsaufwand
begegnet werden.
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Aus
der
DE 692 16 485 ist
ein Verfahren zur mechanischen Positionierung für ein automatisches Analysegerät bekannt.
Dieses Dokument beschreibt die räumliche
Position einer Pipettenspitze, also ein Verfahren zum Kalibrieren
einer Position.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein Anlagenteil und ein Verfahren
zum Betreiben dieses Anlagenteils zur Verfügung gestellt, bei dem eine
zuverlässige
Messung des Sauerstoffgehaltes über
einen langen Zeitraum möglich
ist und bei dem das Messverfahren einfach und somit preisgünstig durchzuführen ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Anlagenteil, das mit einer Kalibrier-
und Konditionierkammer ausgerüstet
ist, die einen bewegbaren Sauerstoff-Sensor einer Sauerstoff-Messeinrichtung
sowie mindestens eine Zu- und Ableitung für ein Gas und/oder eine Flüssigkeit
aufweist, und eine Transportvorrichtung, mittels derer der Sauerstoff-Sensor in
eine erste Position bewegt werden kann, in der dieser mit dem Inhalt
des Anlagenteils in Kontakt steht und sich in Messposition befindet,
und in eine zweite Position bewegt werden kann, in der dieser sich
im Innern der Kalibrier- und
Konditionierkammer und getrennt vom Inhalt des Anlagenteils befindet,
und wobei eine Vorrichtung zur Kalibrierung der Sauerstoff-Messeinrichtung
vorgesehen ist.
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Bei
dem Anlagenteil kann es sich im weitesten Sinne um einen Behälter oder
Apparat handeln, in denen ein verfahrenstechnischer Prozess oder eine
chemische Reaktion abläuft
oder ablaufen kann. Beispiele dafür sind Leitungen zum Transport
von Stoffen oder Geräte
zur Verarbeitung oder Aufarbeitung von Stoffen, wie z.B. Zentrifugen,
aber auch chemische Reaktoren, in deren Inneren eine Explosionsgefahr
auftreten kann.
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Beispiele
für Anlagenteile
sind Zentrifugen, Trockner, Produktförderleitungen, Filteranlagen
und Reaktoren.
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An
dem Anlagenteil ist mit mindestens eine Kalibrier- und Konditionierkammer
angebracht. Dabei handelt es sich üblicherweise um eine Vorrichtung
zur Aufnahme des Sauerstoff-Sensors, die mit dem Anlageteil verbunden
ist und mit dem Innern des Anlagenteils in Kontakt steht.
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Der
Sauerstoff-Sensor kann sich vollständig in der Kalibrier- und
Konditionierkammer befinden und steht in dieser Position mit dem
Innern des Anlagenteils nicht in Verbindung (es ist dann kein Stoffaustausch
mit dem Innern des Anlagenteils möglich). Beispielsweise ist
die Kalibrier- und Konditionierkammer mit einem Deckel ausgestattet,
der beim Bewegen des Sauerstoff-Sensors in die Kalibrier- und Konditionierkammer
diese zum Innenraum des Anlagenteils abdichtet.
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Weitere
Möglichkeiten
der Abdichtung zwischen Anlagenteil und Kalibrier- und Konditionierkammer
sind Zylinder- bzw. Kolbenkonstruktion, sowie alle Arten von Ventilen,
wie z.B. Kugelventil, Sitz und Kegel-Ventil, oder auch Klappen bzw.
Schieber.
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Sauerstoff-Messeinrichtungen
mit elektrochemischem Sensor sind an sich bekannt. Beispiele dafür sind Sauerstoff-Messeinrichtungen
für die Raumluftüberwachung,
den Sauerstoffgehalt von Gewässern
oder Bioreaktoren.
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Eine
Sauerstoff-Messeinrichtung umfasst in der Regel einen Sauerstoff-Sensor,
einen Verstärker und
eine Auswerteeinheit, beispielsweise eine Datenverarbeitungsanlage.
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Der
Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeinrichtung steht in der Messposition
mit dem Anlagenteil in Verbindung und ermittelt bzw. überwacht dort
den Sauerstoffgehalt des Inneren, vorzugsweise den Sauerstoffgehalt
des Gasraumes bzw. die Abwesenheit von Sauerstoff im Gasraum innerhalb
des Anlagenteil.
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Beispielsweise
kann der Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeinrichtung in der
Messposition derart vorgeschoben werden, dass er in das Innere des
Anlagenteils hineinragt.
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Die
Kalibrier- und Konditionierkammer besitzt mindestens eine Zu- und
Ableitung für
ein Gas und/oder eine Flüssigkeit.
Diese dienen zur Versorgung des Sauerstoff-Sensors der Sauerstoff-Messeinrichtung
mit Spülflüssigkeit
und/oder mit befeuchtetem Gas und/oder mit Kalibriergas.
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Weiterhin
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
noch eine Transportvorrichtung auf, mittels derer der Sauerstoff-Sensor
der Sauerstoff-Messeinrichtung in eine erste Position (Messposition)
und in eine zweite Position (Kalibrier- und Konditionierposition)
bewegt werden kann.
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Die
Transportvorrichtung kann eine hydraulische, pneumatische, elektromechanische
oder mechanische Vorrichtung sein, die dazu geeignet ist, den Sauerstoff-Sensor
der Sauerstoff-Messeinrichtung in die vorbestimmten Positionen zu
bewegen.
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Das
erfindungsgemäße Anlagenteil
weist eine Vorrichtung zur Kalibrierung zwecks Ermittlung der Kennlinie
und/oder der Ansprechzeit der Sauerstoff-Messeinrichtung auf. Dabei
kann es sich um eine Datenverarbeitungsanlage handeln, mit welcher die
Sauerstoff-Messeinrichtung in der Kalibrier- und Konditionierposition
auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei der Vorrichtung zur Kalibrierung der Sauerstoff-Messeinrichtung
um eine Datenverarbeitungsanlage, welche die Transporteinrichtung
sowie den Sauerstoffgehalt in der Kalibrier- und Konditionierkammer
steuert, und die das von dem vorbestimmten Sauerstoffgehalt in der
Kalibrier- und Konditionierkammer hervorgerufene Signal der Sauerstoff-Messeinrichtung ermittelt,
wenn sich der Sauerstoff-Sensor in der zweiten Position befindet.
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Die
Datenverarbeitungsanlage steuert dabei alle der weiter unten beschriebenen
Schritte i) bis vii des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind Zuleitungen) in der Kalibrier- und Konditionierkammer mit einem Vorrat
an Spülflüssigkeit
sowie gegebenenfalls für
ein wasserhaltiges Gas und/oder ein sauerstoffhaltiges Kalibriergas
verbunden.
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Der
Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeinrichtung kann auf beliebige
Arten in der Kalibrier- und Konditionierkammer angebracht sein,
vorausgesetzt dieser lässt
sich mittels der Transportvorrichtung in die Messposition und in
die Kalibrier- und Konditionierposition bewegen. Beispielsweise
kann der Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeinrichtung an einer
Schubstange angebracht sein.
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Beispielsweise
kann der Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeinrichtung in eine
durchbohrte Schubstange eingeschraubt sein und kann bei Bedarf abgenommen
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist eine Anzeigevorrichtung vorgesehen, die den Zustand der Sauerstoff-Messeinrichtung
während
und/oder nach Beendigung des Kalibriervorganges anzeigt. Diese Anzeigevorrichtung
weist vorzugsweise ein Toleranzfenster für die Messempfindlichkeit und
oder die Ansprechzeit auf. Solange die Anzeige während der Kalibrierung sich
im Toleranzfenster bewegt ist erhält das Bedienpersonal dadurch
einen Hinweis, dass sich die Sauerstoff-Messeinrichtung in ordnungsgemäßem Zustand
befindet. Bei Verlassen des Toleranzfensters kann eine optische
und/oder akustische Anzeige und/oder ein elektrisches Signal für den Wartungsbedarf
vorgesehen sein bzw. es wird eine Störung gemeldet, die gegebenenfalls
zu einer automatischen Abschaltung der Prozessführung führen kann und/oder das Bedienpersonal
auf zu ergreifende Maßnahmen
hinweist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes
in einem Anlagenteil wie oben definiert umfassend die Schritte:
- i) Bewegen des bewegbaren Sauerstoff-Sensors mittels
der Transportvorrichtung in eine erste Position, in der sie mit
dem Inhalt des Anlagenteils in Kontakt steht und sich in Messposition
befindet,
- ii) Durchführung
der Sauerstoff-Messung,
- iii) Bewegen des bewegbaren Sauerstoff-Sensors mittels der Transportvorrichtung
in eine zweite Position, in der sie sich im Innern der Kalibrier-
und Konditionierkammer und getrennt vom Inhalt des Anlagenteils
befindet,
- iv) Transportieren von Spülflüssigkeit
durch die Zu- und Ableitung der Kalibrier- und Konditionierkammer zur Reinigung
des Sauerstoff-Sensors,
- v) Einstellen eines vorbestimmten Sauerstoffgehaltes in der
Kalibrier- und Konditionierkammer durch Einleiten eines sauerstoffhaltigen
Kalibriergases in die Kalibrier- und Konditionierkammer,
- vi) Ermittlung eines von dem sauerstoffhaltigen Kalibriergas
hervorgerufenen Messsignals der Sauerstoff-Messeinrichtung mittels
der Kalibriervorrichtung, und
- vii) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte i) bis vi).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Kalibrier- und Konditionierkammer nach Schritt iv) von
der Spülflüssigkeit
befreit, beispielsweise durch Spülen mit
Gas und anschließend
mit befeuchtetem Gas gespült,
um den Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeinrichtung in einem
definiert feuchten Zustand zu halten (Konditionierung).
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Für den Kalibriervorgang
wird Kalibriergas mit vorgegebenem Sauerstoffgehalt in die Kalibrier- und
Konditionierkammer eingeleitet. Der Sauerstoffgehalt diese Kalibriergases
kann konstant sein oder während
des Kalibriervorganges in definierter Weise geändert werden, um die Kennlinie
und/oder die Ansprechzeit der Sauerstoff-Messeinrichtung zu ermitteln.
Weicht der Anzeigewert vom Sollwert ab, kann eine automatische Justage
durch die Datenverarbeitungsanlage erfolgen.
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Konditionierung
und Kalibrierung der Sauerstoff-Messeinrichtung können auch
dadurch kombiniert werden, dass das Kalibriergas in geeigneter Weise
befeuchtet wird.
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Als
Spülgas
können
Luft oder Inertgas, wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Argon, zum
Einsatz kommen. Zumindest während
des Kalibrierschrittes enthält
das Spülgas
einen vorbestimmten Gehalt an Sauerstoff, während es ansonsten auch sauerstofffrei
sein kann.
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Nachfolgend
wird die Durchführung
einer diskontinuierlichen Messung am Beispiel der Überwachung
einer Zentrifuge beschrieben. Eine Beschränkung der Erfindung ist dadurch
nicht beabsichtigt.
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Der
Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeinrichtung befindet sich innerhalb
der Kalibrier- und Konditionierkammer und wird mit angefeuchteter
Luft bespült,
dadurch wird das Austrocknen des Elektrolyten innerhalb des Sauerstoff-Sensors
der Sauerstoff-Messeeinrichtung verhindert. Eine Datenverarbeitungsanlage überwacht
die Messempfindlichkeit. Solange sich die Messempfindlichkeit innerhalb
eines vorgegebenen Toleranzfensters bewegt, wird die Funktion der
Sauerstoff-Messeeinrichtung
als ordnungsgemäß angesehen.
Liegt die Messempfindlichkeit innerhalb eines größeren Toleranzfensters, wird eine
Wartungsbedarfsmeldung erzeugt. Bei Überschreitung dieses größeren Toleranzfensters
wird die Sauerstoff-Messeeinrichtung
als gestört
angesehen.
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Bei
Aufnahme des Messbetriebs, z.B. bei Spülen der Zentrifuge mit Inertgas,
wird der Sauerstoff-Sensor der Sauerstoff-Messeeinrichtung in den Innenraum
der Zentrifuge eingefahren, vorausgesetzt die Sauerstoff-Messeeinrichtung
wurde während
des Kalibrierbetriebs nicht als gestört angesehen.
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Beim
Betrieb der Zentrifuge wird der Sauerstoffgehalt des Innenraums
bzw. die Abwesenheit von Sauerstoff im Innenraum durch den Sauerstoff-Sensor
der Sauerstoff-Messeeinrichtung kontinuierlich überwacht.
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Nach
Beendigung des Betriebs der Zentrifuge wird der Sauerstoff-Sensor
der Sauerstoff-Messeeinrichtung in die Kalibrier- und Konditionierkammer zurückgeführten, wird
dort zunächst
gereinigt, beispielsweise durch Spülen mit einer Flüssigkeit und/oder
durch mechanische Vorrichtungen, wie Bürsten, um Produktablagerungen
zu entfernen. Anschließend
wird befeuchtete Luft in die Kalibrier- und Konditionierkammer eingeleitet,
um den Kalibriervorgang einzuleiten und/oder den Sauerstoff-Sensor
der Sauerstoff-Messeeinrichtung in definiert feuchtem Zustand zu
halten.