DE4440580A1

DE4440580A1 - Meß- und Kalibrierzelle zur Adaption von Sensoren an Rohrströmungen

Info

Publication number: DE4440580A1
Application number: DE4440580A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl Phys Zosel; Heiner Prof Dr Kaden; Friedhold Dipl Ing Mitschke
Original assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Current assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 1996-05-15

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Meß- und Kalibrierzelle zur Adaption von zugleich mehreren chemischen Sensoren und/oder elektrochemischen Meßelektroden an Rohrströmungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In vielen Bereichen der chemischen Verfahrenstechnik, der Prozeßanalytik und der Kraftwerkstechnik ist die kontinuierliche On-line-Überwachung verschiedener chemischer Parameter, wie pH-Wert, Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt und Gehalt an gelösten Ionen Grundvoraussetzung für eine im Hinblick auf die Produktqualität und die Anlagensicherheit optimale Prozeßführung. Während der Prozeßkontrolle ist die Kalibrierung bzw. Eichung und/oder Reinigung bzw. Sterilisation der Sensoren in vorgegebenen Intervallen notwendig, wobei die Sensoren möglichst ohne Prozeßunterbrechung aus dem Meßmedium herausgeführt und mit bestimmten Kalibrier- bzw. Reinigungslösungen beaufschlagt werden müssen. Außerdem ist ein unkompliziertes Auswechseln der Sensoren ohne Prozeßunterbrechung, d. h. ohne Entleeren des betroffenen Rohrabschnittes, dringend erwünscht.

Stand der Technik

Zur Erfüllung dieser Forderungen sind bereits Vorrichtungen bekannt (EP 0372121, DE 39 27 282), die es ermöglichen, Einzelelektroden aus dem Prozeßmedium herauszufahren und danach die entsprechenden Apparateöffnungen gegenüber dem Meßmedium abzudichten, um eine Vermischung von Meßmedium und Kalibrierflüssigkeiten zu verhindern. Für die mit einer Absperrvorrichtung arbeitenden Sensorhalterungen werden entweder Absperrdeckel, die gemeinsam mit der Elektrode aus dem Meßraum gezogen werden, oder Absperrhähne in Form von zylinder-, kugel- oder kegelförmigen Küken verwendet. Ebenfalls bekannt sind Elek trodenhalterungen, die ohne Verschiebung der Elektrode eine Abdichtung gegenüber dem Meßmedium durch Verschieben einer Hülse (DE 36 43 036) bzw. eines Scherdeckels (DE 38 12 108) herbeiführen.

Kritik am Stand der Technik

Entsprechend den o. g., bisher bekannten Bauarten der Absperrung ergeben sich jeweils bestimmte Vor- und Nachteile. Befindet sich die Absperreinrichtung während der Meßphase in einem strömenden Medium, so können leicht Abtrags- und/oder Verschmutzungs erscheinungen eine vollständige Abdichtung während der Kalibrierphase verhindern. Bei der Verwendung von Absperrhähnen der o.g. bekannten Formen entstehen im Absperrbereich Toträume, die nicht gespült werden und besonders bei abrasiven Stoffen und feststoffablagernden Medien zu erheblichen Störungen führen können. Bei den Aus führungsformen, die Absperrdeckel, gleitverschiebliche Hülsen bzw. Scherdeckel verwenden, befinden sich Konstruktionsteile im Meßmedium, wodurch der effektive Querschnitt von Rohrströmungen eingeengt wird und unerwünschte Druckverluste entstehen.

Andere Ausführungsformen sind ungeeignet, da mit ihnen nicht sichergestellt werden kann, daß kein Kalibrier- bzw. Reinigungsmedium in das Meßmedium gelangt bzw. das Meßmedium durch eindringende Preßluft störend beeinflußt wird.

Um durch die Verwendung mehrerer Sensoren ein breites Parameterfeld in strömenden Medien simultan zu erfassen, ist es wichtig, die Einzelsensoren räumlich so anzuordnen, daß sie Parameteränderungen in der Strömung unmittelbar und gleichzeitig detektieren. Bei Rohrströmungen erweist sich in dieser Hinsicht bisher eine Anordnung als günstig, bei der die Sensoren in der Ebene des senkrechten Rohrquerschnittes auf dem Rohrumfang angeordnet sind. Die bisher eingesetzten Halterungen für Einzelsensoren bzw. -elektroden sind jedoch für eine derartige Anordnung ungeeignet, da sie, bedingt durch ihren Aufbau, einen relativ großen Raum auf der Rohroberfläche einnehmen würden und einen hohen apparativen Aufwand bei der Installation und Ansteuerung erfordern.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die bisher bekannten Vorrichtungen für die Adaption von Einzelsensoren bzw. -elektroden an verschiedene strömende Medien entwickelt wurden, sich jedoch nicht für eine Mehrfachsensorik in stark strömenden Medien eignen.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Adaption von gleichzeitig mehreren Sensoren und/oder elektrochemischen Meßelektroden an eine Rohrströmung ohne Einengung des effektiven Strömungsquerschnittes so zu realisieren, daß in der Meßphase die sensitiven Bereiche der Detektoren im wandnahen Bereich der Strömung angeordnet sind, daß keine verschmutzungsgefährdeten Toträume entstehen und die sensitiven Sensor- und Elektrodenteile sowie die Abdichtungsvorrichtungen gegen Abrasion geschützt sind. Weiterhin soll die erfindungsgemäße Lösung die Reinigung und Kalibrierung bzw. Eichung der Sensoren in einer gegenüber dem Meßmedium abgedichteten Stellung gewährleisten. Dabei sind das Eindringen von Kalibrier- bzw. Reinigungsmedium in die Rohrströmung oder eine Verdünnung des Kalibrier- bzw. Reinigungsmediums durch das Meßmedium zu verhindern.

Beschreibung der Erfindung

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, um einen von Meßmedium durchströmten Rohrabschnitt, welcher Bohrungen für Sensoren enthält, einen gegen das Rohr konzentrisch verdrehbaren Hohlzylinder sowie eine radialsymmetrische Führung der Sensoren so anzuordnen, daß durch Verdrehen des Hohlzylinders gleichzeitig eine Abdichtung des Rohres gegen die Sensoren sowie das Anfahren einer Kalibrier- und Reinigungsstellung ermöglicht wird. Der verdrehbare Hohlzylinder kann sowohl um den Rohrabschnitt als auch innerhalb des Rohrabschnittes angeordnet werden. Ist eine Halterung der sensitiven Flächen im wandnahen Bereich der Strömung nicht unbedingt notwendig, kann die Verschiebung der Sensoren zum Erreichen der Kalibrierstellung entfallen. Die maximal mögliche Anzahl von Sensoren in der erfindungsgemäßen Meß- und Kalibrierzelle ist durch den Rohrdurchmesser und durch die Größe der meßempfindlichen Bereiche der Sensoren bestimmt.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Längsschnittdarstellung (Schnitt A-A) eine Ausführungsform der erfindungs gemäßen Meß- und Kalibrierzelle mit vier Sensoren, die sich in der Wartungsstellung befinden und

Fig. 2 eine Querschnittdarstellung (Schnitt B-B) dieser Zelle, wobei sich die Sensoren in der Meßstellung befinden.

Die Beschreibung der für die Einzelsensoren notwendigen Konstruktionsteile und -merkmale wird nur für einem Sensor vorgenommen, da sie für die drei weiteren Sensoren dieses Beispiels identisch sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein von einem Meßmedium durchströmtes Rohr mit 1, ein gegen den Rohrab schnitt konzentrisch verdrehbarer Hohlzylinder mit 2 und eine mit dem Rohr 1 fest verbundene Führung für mehrere Sensoren mit 3 bezeichnet. Die Führung 3 besteht aus einem zylindrischen, fest mit dem Rohr verbundenen Grundkörper 3.1 sowie aufgeschraubten Hülsen 3.2 zur Führung der Einzelsensoren. Der Rohrabschnitt 1 kann mit Hilfe von Flanschen 4 in beliebige Rohrleitungen eingefügt werden, wobei ein auf das Rohr aufschraubbarer Flansch 4 verwendet wird, der durch eine Kontermutter 5 gegen Verdrehen gesichert ist, um die Montage der Einzelteile der Meß- und Kalibrierzelle auf dem Rohr zu ermöglichen. Das Rohr 1 enthält zur Anordnung der meßaktiven Bereiche 13.1 der Sensoren 13 im wandnahen Bereich der Strömung Bohrungen 6 entsprechend der Anzahl von Sensoren. Die Bohrungen 6 sind so angeordnet, daß sich ihre Mittellinien in der Ebene eines senkrechten Rohrquerschnittes befinden, um die Detektion von Parameteränderungen durch alle Sensoren unmittelbar und gleichzeitig zu ermöglichen. Weiterhin werden zur Abdichtung des Spaltes zwischen Rohrwandung und Hohlzylinder gegen das Meßmedium auf der Rohrwandung Dichtungen 7.1 und 7.2 eingesetzt. Mit Hilfe der Gleitlager 8.1 und 8.2 wird der Hohlzylinder 2 bei der konzentrischen Verdrehung gegen das feststehende Rohr sowie gegen die mit dem Rohr verbundene Sensorhalterung 3 geführt. Die konzentrische Verdrehung des Hohlzylinders 2 wird mit Hilfe des doppelt wirkenden pneumatischen Arbeitszylinder 9 vorgenommen, der einerseits über ein Drehgelenk mit dem Rohr 1 verbunden und andererseits auf einem mit dem Hohlzylinder fest verbundenen Stutzen 10 drehbar gehaltert ist. Ein mit dem Rohrkörper fest verbundener Anschlagstift 11, der in eine Längsnut 12 des Hohlzylinders eingreift, gewährleistet die Begrenzung der Verdrehung des Hohlzylinders 2 zur präzisen Einstellung der Meß- und Kalibrierposition.

Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Meß- und Kalibrierzelle mit vier Einzelsensoren 13, die in je einer verschiebbaren Halterung 14 so angeordnet sind, daß durch das Anpressen der Senso ren mit Hilfe von Verschraubungen 15 gegen O-Ringe 16 die Abdichtung der inneren Sensor bohrungen 14.1 gegen das Meßmedium erreicht wird. Fig. 2 zeigt, daß die dem Rohrinneren zugewandten Flächen 14.2 der Sensorhalterungen 14 so gekrümmt sind, daß eine Verdrehung des Hohlzylinders erst vorgenommen werden kann, wenn durch diese Verdrehung keine Sensorberührung oder gar -beschädigung auftreten kann. Die verschiebbaren Halterungen 14 sind mit Dichtungen 17.1 und 17.2 versehen, um zu verhindern, daß Meßmedium in den Verschiebungsweg der Sensoren gelangt, bzw. Kalibriermedium während des Vorganges Kalibrieren bzw. Reinigen mit dem Meßmedium in Verbindung kommt. Die Verschiebung der Sensoren beim Wechsel zwischen der Meß- (Fig. 2) und der Wartungsstellung (Fig. 1) wird durch Preßluft derart gewährleistet, daß die Halterungen 14 mit Dichtungen 18 als doppelt wirkende Arbeitszylinder ausgeführt sind, die in den Hülsen 3.2 mit den Dichtungen 25.1 und 25.2 gleitend verschiebbar angeordnet sind. Die Preßluft wird für jede Halterung über die Kanale 19.1 und 19.2 sowie die Anschlusse 20.1 und 20.2 dem jeweiligen Hubraum zugeführt.

Sollen die Sensoren von der Meßstellung in die Wartungsstellung überführt werden, so werden zunächst alle Zu- und Abführungsleitungen 21.1 und 21.2 (Fig. 1) für Reinigungs- und Kali brierflüssigkeiten mit Ventilen, die sich in einer externen Ansteuereinheit befinden, ver schlossen. Danach werden die Sensoren 13 mit Hilfe der als Arbeitszylinder ausgeführten Hal terungen 14 aus der Meßstellung (Fig. 2) bis zu den in den Hülsen 3.2 ausgebildeten Endan schlägen 22 verschoben. Anschließend erfolgt die Verdrehung des Hohlzylinders 2 um einen durch die Vertiefung 12 festgelegten Winkel mit Hilfe des pneumatischen Arbeitszylinders 9. Nach der Verdrehung steht jeder Sensorhalterung 14 je eine Mulde 23 gegenüber, die so ausgebildet ist, daß im Bodenbereich die Zu- und Abführungsleitungen 21.1 und 21.2 für die Reinigungs- und Kalibrierflüssigkeiten einmünden.

Zum Erreichen der Wartungsstellung werden alle Sensoren mit Hilfe der verschiebbaren Halterungen 14 in die Kalibriermulden 23 so verschoben, daß die Dichtungen 17.1 gegen die Muldenwandungen 23.1 pressen und den Austausch zwischen Meßmedium und Kalibrier flüssigkeit verhindern. Durch die Krümmungen der Oberflächen 14.2 der Halterungen 14 sind in den Bodenbereichen der Mulden 23 Anschläge gegeben, die die Berührung der Sensor spitzen 13.1 mit den Muldenböden ausschließen.

Nach dem Erreichen der Wartungsstellung werden zunächst durch die Zuführleitungen 21.1 für jeden Sensor Reinigungsmedien zugeführt, um Reste von Verschmutzungen und Meßmedium auf den sensitiven Flächen 13.1 der Sensoren zu beseitigen und gemeinsam mit den Reini gungsmedien durch die Abführleitungen 21.2 aus den Mulden 23 zu entfernen. Danach werden die Sensoren in der Wartungsstellung mit Kalibrier- bzw. Eichlösungen ebenfalls über die Leitungen 21.1 und 21.2 beaufschlagt. Da jede Kalibriermulde über eigene Zu- und Abflußleitungen verfügt, können die Sensoren mit unterschiedlichen Kalibrierflüssigkeiten beaufschlagt werden.

Ein Sensoraustausch ist in dieser Position ebenfalls möglich, ohne den Transportprozeß im Rohr zu unterbrechen.

Nach erfolgter Kalibrierung und Reinigung werden alle Zuleitungen mit Hilfe der extern angeordneten Ventile verschlossen, und anschließend werden die Sensoren aus der Kalibrier mulde bis zu den Endanschlägen 22 verschoben. Werden die Abführleitungen 21.2 erst nach dem Herausfahren der Sensorhalterungen aus der Wartungsstellung verschlossen, so füllen sich die Mulden 23 über den Spalt zwischen Hohlzylinder 2 und Sensorführung 3 mit Meßmedium, wodurch ein Eindringen der Kalibrierlösungen in den Rohrabschnitt 1 verhindert wird. Danach wird der Hohlzylinder 2 wiederum mittels pneumatischem Antrieb so gegen das Rohr verdreht, daß anschließend durch die Bohrungen im Hohlzylinder 24 (Fig. 2) und durch die Bohrungen im Rohrabschnitt 6 eine Verschiebung der Sensoren in die Meßstellung, d. h. in den wandnahen Bereich der Rohrströmung, vorgenommen wird. Die Halterungen 14 werden gegen die in den Hülsen 3.2 ausgebildeten Endanschläge 25 verschoben. Während der Meßstellung ist der pneumatische oder hydraulische Druck in den Hülsen 3.2 aufrechtzuerhalten, um die radiale Verschiebung der Halterungen durch den Druck des Meßmediums zu verhindern.

Beim nächsten Anfahren der Wartungsstellung wiederholt sich dieser Zyklus.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen, die Anzahl der Sensoren und die vorgestellte Anordnung der Dichtungen sowie die Zuführung der Reinigungs- und Kalibrierlosungen begrenzt. Die dargestellte Lesung ist jedoch eine bevorzugte Ausführungsform mit kostengünstigem und unkompliziertem Aufbau.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungs wesentlich sein.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Anpassung der erfindungsgemäßen Konstruktion an eine Rohrgeometrie mehrere Sensoren bzw. Elektroden um einen Rohrquerschnitt posi tioniert werden können und in einem Arbeitsgang gleichzeitig kalibriert, gereinigt bzw. ausgetauscht werden können, ohne den apparativen Aufwand gegenüber der Ansteuerung einer Einzelelektrode wesentlich zu erhöhen. Die Beaufschlagung der Sensoren bzw. elektrochemischen Meßelektroden mit Kalibrier- und Reinigungsmedien findet in einer gegen die Rohrströmung abgedichteten Wartungsstellung statt, wobei jeder Einzelsensor mit den für ihn vorzusehenden Medien beaufschlagt werden kann. Insbesondere kann durch die Wahl der Dichtungen und die Gestaltung der Ansteuerung ausgeschlossen werden, daß Kalibrier- oder Reinigungsmedium in das Rohrsystem gelangen, bzw. daß während der Kalibrier- und Reinigungsphase eine Verdünnung des Kalibrier- oder Reinigungsmediums durch das Meßmedium stattfindet. Weiterhin ist der konstruktionsbedingte kurze Verschiebeweg der Sensoren zwischen Meß- und Kalibrierstellung von besonderem Vorteil. Durch die Abstimmung des Abdichtmechanismus auf eine Rohrgeometrie kann die Meß- und Kalibrierzelle im Gegensatz zu allen bisher vorgestellten Konstruktionen auch für mehrere Sensoren an kleine Rohrdurchmesser so angepaßt werden, daß eine Halterung der sensitiven Bereiche in der wandnahen Grenzschicht der Strömung ohne Verkleinerung des effektiven Rohrquerschnittes möglich wird. Die Beaufschlagung mit Kalibriermedium findet, bedingt durch den geringen Abstand der Wartungsstellung zum Meßmedium, bei der Temperatur des Meßmediums statt, wodurch zusätzliche Kalibrierfehler vermieden werden können.

Die Bewegung der Sensoren aus der Meßstellung in die Wartungsstellung kann durch mecha nische, elektromechanische, hydraulische bzw. pneumatische Antriebe vorgenommen werden, ohne eine Belüftung bzw. Beaufschlagung des Meßraumes mit Hydraulikmedium in Kauf nehmen zu müssen. Da die Ansteuerung der Vorrichtung mit verschiedenen Medien über druckfeste Schläuche und Ventile in einer getrennten Dosiereinrichtung erfolgt, ist eine War tung von Ansteuerventilen und Zuführungsleitungen ohne Unterbrechung der Messung möglich.

Claims

1. Meß- und Kalibrierzelle zur Adaption von Sensoren an Rohrströmungen mit Sensorhalterungen und Vorrichtungen zur Abdichtung der Sensoren gegenüber dem Meßmedium sowie zur Gewährleistung der Sensorkalibrierung, -reinigung und Auswechslung ohne Unterbrechung der Strömung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein oder mehrere Sensoren und/oder eine oder mehrere elektrochemische Meßelektroden (13) radial auf einem Rohrzylinder (3) durch Halterungen (14) so angeordnet sind, daß sich die sensitiven Sensor- und/oder Elektrodenteile (13.1) während der Messung im wandnahen Bereich der Strömung befinden,
b) ein Hohlzylinder (2) eine Abdichtung der Sensoren zum Meßmedium durch konzentrische Verdrehung gegen das die Strömung umgebende Rohr (1) und gleichzeitig eine gesteuerte Beaufschlagung mit Reinigungs-, Kalibrier- bzw. Sterilisationsmedien mit Hilfe von im Hohlzylinder enthaltenen Kalibrier- und Reinigungsmulden (23) bewirkt,
c) die Halterungen (14) von einem oder mehreren Sensoren und/oder Elektroden und der Hohlzylinder (2) in der Weise ausgeführt sind, daß sich keine Konstruktionselemente in dem effektiven Querschnitt der Rohrströmung befinden.
d) der verdrehbare Hohlzylinder (2) für jeden Sensor (13) eine durchgehende Bohrung enthält.

2. Meß- und Kalibrierzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren bzw. Elektroden in einer zum Rohr feststehenden Sensorführung (3) in verschiebbaren Halterungen (14) so angeordnet sind, daß sie radial zum Mittelpunkt des Rohrdurchmessers verschiebbar sind.

3. Meß- und Kalibrierzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Sensorhalterungen (14) so ausgeführt sind, daß ein Verdrehen des Hohlzylin ders (2) erst bei Erreichen aller Endanschläge (22) möglich ist.

4. Meß- und Kalibrierzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung der Dichtungen (17.1) und die Auslegung der Ansteuerung eine Vermischung von Meß- und Kalibriermedium bzw. Meß- und Reinigungsmedium ausgeschlossen ist.

5. Meß- und Kalibrierzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung des Hohlzylinders (2) und die Verschiebung der Sensoren (13) zum Wechsel zwischen Meßstellung und Kalibrierstellung entweder pneumatisch oder hydraulisch oder elektromechanisch oder mechanisch vorgenommen werden.

6. Meß- und Kalibrierzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung des Hohlzylinders (2) und die Verschiebung der Sensoren durch festgelegte mechanische Anschlagpunkte (11), (22) begrenzt sind.

7. Meß- und Kalibrierzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aufschraubbare Flansche (4) als Verbindungselemente verwendet werden.

8. Meß- und Kalibrierzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorführung (3) so mit dem Rohr (1) verbunden ist, daß eine Verdrehung bzw. Verschiebung gegen das Rohr ausgeschlossen wird.