DE19803379A1 - Sonde zur Durchflußmessung von Fluidströmen in einem Kanal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Durchflußmessung einer Fluidströmung, insbe­ sondere einer Mehrphasenströmung in Bioreaktoren, nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Bei einem bekannten Sensor zur Strömungserfassung in Rohrleitungen gemäß EP 0 287 850 B1 wird eine Kugel in einem Strömungskanal von einer strömenden Flüssig­ keit mit einer Kraft beaufschlagt, die zu einer Auslenkung des Kugelkörpers führt. Über einen Führungs- und Bewegungsübertragungsmechanismus wird die Auslen­ kung mittels eines Schwenkarms durch eine Dichtung hindurch aus dem Flüssigkeits­ raum heraus auf einen Mikroschalter übertragen.

Dieses Meßprinzip eignet sich zur Messung einer einphasigen Fluidströmung, z. B. ei­ ner Wasserströmung, versagt jedoch bei der Anwendung in Mehrphasengemischen, d. h. zum Beispiel in Gemischen aus Gasblasen, organischem Feststoff und Flüssig­ phasen in Bioreaktoren, weil in einem solchen System in der Flüssigkeit enthaltene Feststoffpartikel zu Veränderung der Strömungsführung und zu Verstopfungen im Strömungskanal führen können. In einem biologisch aktiven Mehrphasensystem kann es darüber hinaus zu einer Belagbildung und zu Aufwuchs von Biofilmen (Biofouling) kommen, die im Strömungskanal zu einer Verengung führen und damit das Meßsignal verändern können. In einer Biosuspension kann außerdem durch die enthaltenen Fest­ stoffe die freie Bewegung des Schwenkarms in der Flüssigkeit beeinträchtigt werden, so daß eine Verfälschung des Meßwerts auftreten kann.

Alternative chemisch-physikalische Meßmethoden der Strömungsmessung mittels ei­ nes Tracerstoffes, wie beispielsweise einem Salztracer, können in einem Bioreaktor während des Betriebszustands nicht eingesetzt werden, da in diesem Fall durch hohe Ionenkonzentrationen die biologischen Prozesse osmotisch gestört werden.

Die physikalische Methode der Wärmeleitfähigkeitsmessung ist bei Einsatz in einem Bioreaktor durch Belagbildung auf dem wärmeabgebenden und dem wärmeregistrie­ renden Sensorteil innerhalb einer für den Betrieb zu kurzen Zeitspanne ebenfalls nicht einsetzbar.

Eine optische Erfassung und Bestimmung der Strömung mittels Methoden der Mustererkennung ist aufwendig und aufgrund der hohen Kosten für die Hardware und Software in den meisten Fällen nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde zur Durchflußmessung eines Fluids in einem Kanal, insbesondere einer Mehrphasenströmung in Bioreaktoren, zu schaffen, die einfach anwendbar und auch beim Einsatz in Mehrphasenströmungen in Bioreaktoren wenig störungsanfällig ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Sonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weist eine Sonde zur Durchflußmessung von Fluidströmung in ei­ nem Kanal mindestens ein anströmbares Element auf, das an der Wandung des Kanals nachgebend gelagert ist und mindestens einen elastisch verformbaren Bereich hat, so­ wie eine Vorrichtung, die ein der elastischen Verformung entsprechendes Signal er­ zeugt, wenn das Element aus einer Ruhelage herausbewegt wird. Diese Sonde kann so kalibriert werden, daß das Signal dem Durchfluß oder der Geschwindigkeit in einem Bereich der Strömung entspricht.

Die Fluidströmung kann also das Element anströmen und in Abhängigkeit von der Stärke der Anströmung das Element aus seiner Ruhelage herausbewegen, wobei sich das Element in seinem elastisch verformbaren Bereich nachgebend verformt. Diese elastische Verformung wird, z. B. mittels Dehnungsmeßstreifen, die im elastisch ver­ formbaren Bereich auf dem Element angebracht sind, in ein der Verformung entspre­ chendes Meßsignal umgesetzt. Alternativ sind auch piezoelektrisch, kapazitiv oder in­ duktiv arbeitende Vorrichtungen denkbar, die ein der elastischen Verformung entspre­ chendes Meßsignal liefern. Die Applikation von Dehnungsmeßstreifen sowie die für die Dehnungsmeßstreifen nötige Elektronik ist aber besonders verbreitet und kosten­ günstig und dementsprechend unproblematisch.

Das anströmbare Element kann mindestens teilweise plattenförmig und vorzugsweise von einer Zunge gebildet sein, wobei das Element im elastisch verformbaren Bereich, insbesondere durch Taillierung, geschwächt sein kann.

Dieser erfindungsgemäße Meßmechanismus ist besonders einfach im Aufbau und auch bei Mehrphasenströmungen wenig störungsanfällig. Er ist einfach kalibrierbar, insbesondere wenn das Element im wesentlichen senkrecht anströmbar und vorzugs­ weise bezüglich seiner Lage zur Strömung einstellbar gelagert ist.

Selbst in biologisch aktiven Mehrphasenströmungen kann eine Belagbildung auf dem anströmbaren Element, insbesondere bei geeigneter Wahl von dessen Geometrie, zum Beispiel als genügend großflächige Platte, dessen elastische Verformbarkeit und damit das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelieferte Meßsignal nicht oder nur un­ wesentlich beeinträchtigen. Eine weiteren Vorteil stellt die Anpaßbarkeit der erfin­ dungsgemäßen Sonde an die Eigenschaften des jeweiligen Fluids dar, indem etwa bei schwachen Strömungen ein elastischeres, stärker verformbares Element eingesetzt werden kann als bei starken Strömungen oder indem zum Beispiel die Geometrie des Elements der Geometrie des Strömungskanals entsprechend geformt sein kann.

Von zusätzlichem Vorteil ist die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Sonde von außerhalb des Kanals an eine Öffnung in der Wandung des Kanals dichtend anzuset­ zen und abzunehmen, wobei mindestens das anströmbare Element durch die Öffnung führbar sein kann. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Sonde, zum Beispiel an eine Verschlußarmatur in Form eines Kugelhahns, die die Öffnung in der Wandung des Kanals verschließt, ansetzbar und abnehmbar sein. Dies verbessert vorteilhafter­ weise die Wartungsfreundlichkeit, Modularität und Handhabbarkeit der erfindungs­ gemäßen Sonde.

Die Elemente der Sonde bestehen vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Werk­ stoff, insbesondere aus säurebeständigem Stahl und/oder Kunststoff.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der bei­ gefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sonde an einem Strömungskanal.

Fig. 2 zeigt eine strömungsseitige Endansicht der Sonde nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein anströmbares Element der Sonde nach Fig. 1.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform eines anströmbaren Elements der Sonde nach Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Sonde nach Fig. 1 an einem Kugel­ hahn in Meßposition.

Fig. 6 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Sonde nach Fig. 1 an einem Kugel­ hahn in Ruheposition.

Fig. 7 zeigt eine räumliche Ansicht des strömungsabgewandten Endes der Sonde nach Fig. 1.

Mit Bezug auf Fig. 1 weist die Sonde 2 ein von einer Blechzunge gebildetes anström­ bares Element 4 auf mit einem freien Ende, das in eine Fluidströmung 6 hineinragt, und einem mittels einer Klemmschraube 8 fest eingespannten zweiten Ende 10. Das anströmbare Element 4 hat im Bereich des zweiten Endes 10 einen elastisch verform­ baren Bereich 12, auf dem ein Dehnungsmeßstreifen 14 appliziert ist. Dies ist in Fig. 3 und 4 in Draufsicht zu sehen, wo das Element 4 mit Bezug auf Fig. 4 im elastisch ver­ formbaren Bereich 12 durch eine Taillierung 16 geschwächt ist. Die alternative Aus­ führungsform des Elements 4 nach Fig. 3 weist eine solche Taillierung nicht auf.

Wieder mit Bezug auf Fig. 1 ist das zweite Ende 10 an einem der Strömung 6 zuge­ wandten Ende eines länglichen inneren Körpers 18 befestigt, der teleskopisch in ei­ nem hülsenförmigen äußeren Körper 20 gelagert ist. Der innere Körper 18 ist im Be­ reich des der Strömung 6 zugewandten Endes vollzylindrisch und im übrigen hohl­ zylindrisch, wobei Leitungen 24 vom Dehnungsmeßstreifen 14 durch eine Bohrung im vollzylindrischen Bereich und durch den Innenraum 26 des hohlzylindrischen Be­ reichs des inneren Körpers 18 nach außen zu einer nicht dargestellten Elektronik ge­ führt sind. Die Durchführung für das Kabel 24 muß gedichtet sein, weil sonst Flüssigkeit in den Innenraum 18 eintreten würde. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, hat der innere Körper 18 eine kreiszylindrische Außenkontur.

Wieder mit Bezug auf Fig. 1 ist die kreiszylindrische Außenkontur des inneren Kör­ pers 18 im wesentlichen über seine gesamte Länge glattwandig. Die teleskopische La­ gerung des inneren Körpers 18 im äußeren Körper 20 ist von zwei Gummi-O-Ringen 28 abgedichtet, die parallel und koaxial zueinander jeweils in einer entsprechenden nach innen geöffneten Ringnut 30 in einer Innenwand des hülsenförmigen äußeren Körpers 20 angeordnet sind. Die Ringnuten befinden sich in einem vom Strömungs­ kanal 32 gewandten Ende 34 des äußeren Körpers 20, das einem der Strömung 6 zugewandten Ende 36 gegenüberliegt, welches in eine Öffnung 38 in einer Wandung 40 des Kanals 32 mündet. Das der Strömung 6 zugewandte Ende 36 des äußeren Kör­ pers 20 weist einen Außengewindeabschnitt 42 auf, mittels dessen der äußere Körper 20 in die Öffnung 38 in der Wandung 40 des Kanals 32 geschraubt ist.

Das Gewinde 42 ist durch geeignete Mittel, zum Beispiel durch Flachsfasern (nicht dargestellt), abgedichtet. Der Anschluß der Sonde 2 mittels des Gewindeabschnitts 42 an den Strömungskanal 32 ist lösbar. Dies, sowie die dazu vorgesehenen Merkmale und Details der Sonde 2 werden mit Bezug auf Fig. 5 und 6 beschrieben:

Das anströmbare Element 4 der Sonde 2 ist mit dem inneren Körper 18 mittels der te­ leskopischen Lagerung aus dem äußeren Körper 20 in den Kanal 32 in eine Meßposi­ tion nach Fig. 5 ausfahrbar und in den äußeren Körper 20 in eine Ruheposition nach Fig. 6 einfahrbar. Zur eindeutigen Positionierung in diesen beiden Positionen sind an der Sonde 2 Anschlagmittel vorgesehen: Für die Ruheposition nach Fig. 6 weist der äußere Körper im Bereich seines vom Kanal 32 abgewandten Endes 34 eine erste, durch einen Absatz im Innenraum des hülsenförmigen Körpers 20 gebildete erste An­ schlagfläche 44 auf, die mit einem ersten Anschlag am der Strömung 6 zugewandten Ende 22 des inneren Körpers 18 zusammenwirkt. Dieser erste Anschlag 46 ist als ringförmiger Vorsprung ausgebildet, der auf der Außenkontur des inneren Körpers 18 umläuft.

In dieser Ruheposition nach Fig. 6 ist der anströmbare Körper 4 vollständig in den In­ nenraum des hülsenförmigen äußeren Körpers 20 eingefahren und ragt nicht in die Öffnung 38, die in den Strömungskanal 32 mündet, hinein. Dies gestattet, einen Ku­ gelhahn 48, der zwischen der Öffnung 38 und dem in die Öffnung 38 mündenden Ende 36 des äußeren Körpers 20 angeordnet ist, zu schließen. Dies wiederum ermög­ licht, die Sonde 2 mittels des Gewindeabschnitts 42 zu demontieren, ohne daß Fluid durch die Öffnung 38 aus dem Strömungskanal 32 heraustritt. Zum Ablassen von Fluid, das sich noch im Innenraum des hülsenförmigen äußeren Körpers 20 befindet, ist ein Ablaßventil 50 in der Wandung des äußeren Körpers 22 angeordnet, dessen Öffnung nach außen führt.

Um die Sonde 2 wieder zu montieren und in die Meßposition nach Fig. 5 zu bringen, wird sie mittels des Gewindeabschnitts 42 am der Strömung 6 zugewandten Ende 36 des äußeren Körpers 20 an den Kugelhahn 48 in die Öffnung 38 mündend geschraubt, der Kugelhahn 48 wird geöffnet, so daß sich ein kontinuierlicher Innenraum aus dem Innenraum des hülsenförmigen äußeren Körpers 20, dem Innenraum des Schließkör­ pers des Kugelhahns 48 sowie der Öffnung 38 ergibt, und der anströmbare Körper 4 wird mittels der teleskopischen Lagerung am inneren Körper 18 geführt durch den kontinuierlichen Innenraum in die Strömung im Kanal 32 geschoben. Dies ergibt die Meßposition nach Fig. 5. Der äußere Körper 20 ist mit einem nach außen führenden Entlüftungsventil 52 versehen, um beim Öffnen des Kugelhahns 48 das Fluid unge­ hindert in den kontinuierlichen Innenraum strömen zu lassen.

Auch die Meßposition nach Fig. 5 ist durch Anschlagmittel 54, 56 festgelegt: Um in die Meßposition nach Fig. 5 zu gelangen, wird der in der Ruheposition nach Fig. 6 aus dem äußeren Körper 20 auf der dem Kanal abgewandten Seite herausragende innere Körper 18 soweit in den äußeren Körper 20 hineingeschoben, bis ein zweiter An­ schlag 54 am vom Kanal 32 abgewandten Ende des inneren Körpers 18 gegen eine zweite Anschlagfläche 56 am vom Kanal 32 abgewandten Ende des äußeren Körpers zum Anschlag kommt. Dann ist gemäß Fig. 5 der innere Körper 18 vollständig in das vom Kanal 32 abgewandte Ende des äußeren Körpers 20 eingefahren, so daß der an­ strömbare Körper 4 aus dem in den Strömungskanal mündenden Ende 36 des äußeren Körpers vollständig ausgefahren ist. Der zweite Anschlag ist am inneren Körper als ringförmig nach außen ragender, umlaufender Absatz ausgebildet, während die zweite Anschlagfläche durch die Stirnfläche des vom Strömungskanal abgewandten Endes 34 des äußeren Körpers gebildet ist.

Die gemäß Fig. 1 von den O-Ringen 28 abgedichtete teleskopische Lagerung des in­ neren Körpers 18 im äußeren Körper 20 trägt mehrere Funktionen: Sie dichtet den In­ nenraum des hülsenförmigen äußeren Körpers 20 gegen die Umgebung außerhalb des Strömungskanals 32, so daß kein Fluid austreten kann, sie gewährleistet eine transla­ torische Lagerung zwischen der Meßposition nach Fig. 5 und der Ruheposition nach Fig. 6 und sie gewährleistet eine rotatorische Lagerung des inneren Körpers 18 im äußeren Körper 20, welche bewirkt, daß der Anstellwinkel des anströmbaren Körpers 4 in der Strömung 6 einstellbar ist. Durch die stufenlose translatorische Beweglichkeit ist darüber hinaus einstellbar, wie weit der anströmbare Körper 4 in die Strömung 6 hineinragt. Sowohl die translatorische als auch die rotatorische Einstellbarkeit sind jeweils an einer mit einer Markierung 60, 64 zusammenwirkenden Skala ablesbar, wobei mit Bezug auf Fig. 7 eine erste Skala 58 den Verdrehwinkel zwischen dem inneren Körper 18 und dem äußeren Körper 20 anzeigt, die stirnseitig am vom Kanal 32 abgewandten Ende 34 des äußeren Körpers 20 angeordnet ist und dort mit einer Markierung 60 auf der Außenkontur des inneren Körpers 18 zusammenwirkt. Eine zweite Skala 62 zeigt den Verschiebeweg zwischen dem inneren Körper 18 und dem äußeren Körper 20 an. Sie ist auf der Außenkontur des inneren Körpers 18 angeordnet und wirkt dort mit einer Markierung 64 auf der Stirnseite des vom Kanal 32 abgewandten Endes 34 des äußeren Körpers 20 zusammen.

Claims (22)

1. Sonde (2) zur Durchflußmessung von Fluidströmung (6) in einem Kanal (32), ins­ besondere bei Mehrphasengemisch-Strömungen in Bioreaktoren, wobei minde­ stens ein anströmbares Element (4) an der Wandung (40) des Kanals (32) nach­ gebend gelagert ist und eine Vorrichtung (14) aufweist, die ein Meßsignal liefert, wenn das Element (4) aus einer Ruhelage herausbewegt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Element (4) mindestens einen elastisch verformbaren Bereich (12) aufweist und die Vorrichtung (14) ein der elastischen Verformung entspre­ chendes Meßsignal erzeugt.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (4) mindestens teilweise plattenförmig ist.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (4) von einer Zunge gebildet ist.

4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ele­ ment (4) im wesentlichen senkrecht anströmbar gelagert ist.

5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des anströmbaren Elements (4) bezüglich der Strömung (6) einstellbar ist.

6. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ele­ ment (4) im elastisch verformbaren Bereich (12) geschwächt ist.

7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (4) im elastisch verformbaren Bereich (12) tailliert ist (16).

8. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die das Meßsignal liefernde Vorrichtung Dehnungsmeßstreifen (14) aufweist, die in dem elastisch verformbaren Bereich (12) an dem Element (14) angebracht sind.

9. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ele­ ment (4) an einer Halterung gelagert ist, die von außerhalb des Kanals (32) an eine Öffnung (38) in der Wandung (40) des Kanals (32) dichtend ansetzbar und ab­ nehmbar ist, wobei mindestens das Element (4) durch die Öffnung (38) führbar ist.

10. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ele­ ment (4) an einem dem Kanal (32) zugewandten Ende (22) eines inneren Körpers (18) befestigt ist, wobei der innere Körper (18) teleskopisch in einem äußeren hül­ senförmigen Körper (20) gelagert ist und wobei das dem Kanal (32) zugewandte Ende (36) von außerhalb an der Wandung (40) des Kanals (32) befestigt ist und abgedichtet in die Öffnung (38) in der Wandung (40) des Kanals (32) mündet, so daß der innere Körper (18) in dem äußeren Körper (20) abgedichtet zwischen einer Meßposition des anströmbaren Elements (4) im Kanal (32) und einer Ruheposition des anströmbaren Elements (4) außerhalb des Kanals verschiebbar ist.

11. Sonde nach Anspruch 10, wobei der äußere Körper (20) zur Befestigung an der Wandung (40) des Kanals (32) an einem zum Kanal (32) weisenden Ende (36) eine lösbare Anschlußvorrichtung (42) an eine Verschlußarmatur (48) aufweist.

12. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper (20) an seinem zum Kanal (32) weisenden Ende (36) ein Gewinde (42) zum Anschluß an einen Kugelhahn (48) aufweist.

13. Sonde nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper (20) an seinem vom Kanal (32) abgewandten Ende (34) die Lage­ rung (28) zur teleskopischen Verschiebbarkeit des inneren Körpers (18) aufweist.

14. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die teleskopische Lage­ rung von zwei O-Ringen (28) aus Gummi abgedichtet ist, die parallel und koaxial zueinander jeweils in einer entsprechenden, nach innen geöffneten Ringnut (30) im zweiten Ende (34) des hülsenförmigen äußeren Körpers (20) angeordnet sind und die eine Außenkontur des inneren Körpers (18) umfangen und auf der Außen­ kontur anliegen, wobei die Außenkontur kreiszylindrisch und glattwandig ist.

15. Sonde nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper (20) an seiner Unterseite zwischen seinem Innenraum und der Um­ gebung ein Ablaßventil (50) aufweist.

16. Sonde nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper (20) an seiner Oberseite zwischen seinem Innenraum und der Um­ gebung ein Entlüftungsventil (52) aufweist.

17. Sonde nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper (20) im Bereich seines vom Kanal (32) abgewandten Endes (34) eine erste Anschlagfläche (44) aufweist, die mit einem ersten Anschlag (46) am zum Kanal (32) weisenden Ende (22) des inneren Körpers (18) zusammenwirkt, wenn er in die Ruheposition eingefahren ist, sowie eine zweite Anschlagfläche (55), die mit einem zweiten Anschlag (54) am vom Kanal (32) abgewandten Ende des inneren Körpers (18) zusammenwirkt, wenn er in die Meßposition ausgefahren ist.

18. Sonde nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der in­ nere Körper (18) mit dem Element (4) im äußeren Körper (20) um eine gemein­ same Längsachse verdrehbar gelagert ist.

19. Sonde nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Skala (58) am vom Kanal (32) abgewandten Ende (34) des äußeren Körpers (20) angeordnet ist, die mit einer Markierung (60) auf der Außenkontur des inneren Körpers (18) zusammenwirkt und den Verdrehwinkel zwischen dem inneren Körper (18) und dem äußeren Körper (20) anzeigt.

20. Sonde nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Skala (62) auf der Außenkontur des inneren Körpers (18) angeordnet ist, die mit einer Markierung (64) am zweiten Ende (34) des äußeren Körpers (20) zu­ sammenwirkt und den Verschiebeweg zwischen dem inneren Körper (18) und dem äußeren Körper (20) anzeigt.

21. Sonde nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Körper (18) im Bereich seines zum Kanal (32) weisenden Endes (22) vollzylindrisch und im übrigen hohlzylindrisch ist, wobei Leitungen (24) für die das Meßsignal liefernde Vorrichtung (14) in einer Bohrung im vollzylindrischen Bereich und durch den Innenraum des Hohlzylinders geführt sind.

22. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bau­ teile der Sonde aus korrosionsbeständigem Werkstoff, insbesondere aus säurebe­ ständigem Stahl und/oder Kunststoff bestehen.