DE102015121414A1

DE102015121414A1 - Wechselarmatur zur Erfassung zumindest einer Messgröße eines Mediums und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102015121414A1
Application number: DE102015121414.8A
Authority: DE
Inventors: Felix Schneider; André Pfeifer
Original assignee: Endress & Hauser Conducta & Co Kg GmbH; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress & Hauser Conducta & Co Kg GmbH; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wechselarmatur (1) für Eintauch-, Durchfluss- und Anbau-Messsysteme in der analytischen Prozesstechnik zur Erfassung zumindest einer Messgröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend: ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse (2); und ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Tauchrohr (3), das axial im Gehäuse (2) zwischen einer aus dem Medium herausgefahrenen Servicestellung und einer in das Medium hineingefahrenen Prozessstellung beweglich ist, wobei ein Sensor (16) zur Messung der Messgröße im Tauchrohr (3) anordenbar ist. Die Wechselarmatur (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (3) einen Temperatursensor (T) und zumindest einen ersten Dehnungsmessstreifen (DMS1) umfasst, wobei der Dehnungsmessstreifen (DMS1) in Flussrichtung des zu messenden Mediums angeordnet ist, und wobei der Temperatursensor (T) und der erste Dehnungsmessstreifen (DMS1) über eine intelligente Einheit (µC) ansteuerbar und auswertbar sind. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren Messung von dehnenden und stauchenden Verformungen eines Tauchrohrs einer Wechselarmatur.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselarmatur für Eintauch-, Durchfluss- und Anbau-Messsysteme in der analytischen Prozesstechnik zur Erfassung zumindest einer Messgröße eines Mediums in einem Behältnis. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Messung von dehnenden und stauchenden Verformungen eines Tauchrohrs einer solchen Wechselarmatur.
Wechselarmaturen sind in der analytischen Prozesstechnik, also der Analysemesstechnik, weit verbreitet. Sie dienen dazu, Sensoren ohne Prozessunterbrechung aus dem Prozess, und damit dem Medium, zu entnehmen und anschließend wieder in den Prozess einzuführen. Die Sensoren werden in einem Tauchrohr befestigt und mittels eines Antriebs manuell oder automatisch, beispielsweise pneumatisch, axial zwischen einer Prozessstellung und einer Servicestellung verfahren. Diese Vorgänge verlaufen innerhalb eines bestimmten Zeittakts oder in Abhängigkeit von sonstigen bestimmbaren oder gemessenen Parametern.
Sensoren im Sinne dieser Erfindung umfassen Sensoren zur Messung einer oder mehrerer physikalischer oder chemischer Prozessgrößen.
Werden Wechselarmaturen zur Aufnahme des Sensors zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße verwendet, kann der Sensor in der Servicestellung überprüft, kalibriert, gereinigt und/oder ausgetauscht werden, wobei sich der Sensor dabei in einer im Gehäuse der Wechselarmatur angeordneten Behandlungskammer befindet.
Wechselarmaturen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser angeboten und vertrieben, beispielsweise unter der Bezeichnung „Cleanfit H CPA475“.
Der Einsatzbereich von Wechselarmaturen zur Messung physikalischer oder chemischer Prozessgrößen eines Mediums, z.B. eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in der Prozesstechnik ist vielfältig. Für die Bestimmung der Prozessgrößen werden Sensoren verwendet, wobei es sich bei den Sensoren beispielsweise um pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, optische oder elektrochemische Sensoren zur Bestimmung einer Konzentration einer in dem zu überwachenden Medium enthaltenen Substanz, z.B. O₂, CO₂, bestimmte Ionenarten, organische Verbindungen, ö.ä. handelt.
Für das Tauchrohr zur Aufnahme des Sensors gibt es verschiedene Ausführungsformen, insbesondere aus verschieden Materialien. Üblich sind Tauchrohre aus Stahl bzw. Edelstahl. Es sind aber Anwendungen, insbesondere in der chemischen Industrie, verbreitet, bei denen chemisch beständige widerstandfähige Materialien angewendet werden. Das Tauchrohr kann somit auch aus einem Kunststoff wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt sein.
Eine mechanische Überlastung des Tauchrohres kann, insbesondere bei Kunststofftauchrohren, nicht festgestellt werden, sondern tritt erst im Fehlerfall zu Tage. Dies äußert sich beispielsweise durch Undichtigkeit bis hin zum Sensorbruch in Folge zu großer Deformation des Tauchrohres.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überlastung des Tauchrohrs zu erkennen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wechselarmatur, umfassend: ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse; und ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Tauchrohr, das axial im Gehäuse zwischen einer aus dem Medium herausgefahrenen Servicestellung und einer in das Medium hineingefahrenen Prozessstellung beweglich ist, wobei ein Sensor zur Messung der Messgröße im Tauchrohr anordenbar ist. Die Wechselarmatur ist dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr einen Temperatursensor und zumindest einen ersten Dehnungsmessstreifen umfasst, wobei der Dehnungsmessstreifen in Flussrichtung des zu messenden Mediums angeordnet ist, und wobei der Temperatursensor und der erste Dehnungsmessstreifen über eine intelligente Einheit ansteuerbar und auswertbar sind.
Die Dehnungsmessstreifen befinden sich am oder im Tauchrohr, das sich unter Belastung, d.h. durch den Fluss des zu messenden Mediums, minimal verformen. Diese Verformung führt dann zur Veränderung des Widerstands des Dehnungsmessstreifen, wodurch eine Veränderung des Tauchrohrs erkannt wird. Wird diese Änderung zu groß, wird dies als Überlastung des Tauchrohrs erkannt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dann eine Warnmeldung ausgegeben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei dem Tauchrohr um ein Kunststofftauchrohr, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem Polyetherketon, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK), einem Perfluoralkoxy-Polymer (PFA), oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Diese Materialen sind chemisch beständig gegenüber vielen zu messenden Medien.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Tauchrohr am mediumsseitigen Endbereich eine Öffnung zum zu messenden Medium, und der Temperatursensor ist an oder in der Öffnung angeordnet. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Temperatursensor in den Dehnungsmessstreifen integriert, so dass der Temperatursensor und der Dehnungsmessstreifen nur ein Bauteil bilden. Mit dem Temperatursensor wird eine erhöhte Temperatur des zu messenden Mediums erkannt. Außerdem sind mechanische Beanspruchungen des Tauchrohrs temperaturabhängig. Zudem ist das Verhalten des Dehnungsmessstreifen temperaturabhängig. Es kann somit mittels des Temperatursensors und des Dehnungsmessstreifen die Beanspruchung des Tauchrohrs ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Wechselarmatur einen zweiten Dehnungsmessstreifen, wobei der zweite Dehnungsmessstreifen um einen ersten Winkel, insbesondere 90°, azimutal zum ersten Dehnungsmessstreifen angeordnet ist. Somit kann mittels Vektorberechnung eine Verformung mit zwei Dehnungsmessstreifen in allen horizontalen Richtungen ermittelt werden Bevorzugt umfasst das Tauchrohr einen dritten Dehnungsmessstreifen und einen vierten Dehnungsmessstreifen, wobei die Dehnungsmessstreifen um einen zweiten und dritten Winkel, insbesondere jeweils um 90°, azimutal zueinander versetzt angeordnet sind.
Weiter ist bevorzugt, dass die Dehnungsmessstreifen dann als Brückenschaltung, insbesondere als Viertel-, Halb- oder Vollbrücke, geschaltet sind. Die Brückenschaltung aus Widerständen ist eine Parallelschaltung zweier Spannungsteiler, zwischen deren Ausgangsklemmen der Brückenzweig liegt. Der Vorteil der Brückenschaltung gegenüber einem einzelnen Spannungsteiler besteht darin, dass man die Spannung und den Strom im Brückenzweig je nach Einstellung der Widerstände nicht nur in der Höhe sondern auch in der Polarität verändern kann, d.h. es wird auch erkannt ob es sich um eine Dehnung oder Stauchung handelt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei der Brückenschaltung um eine Wheatstone‘sche Messbrücke, insbesondere nach dem Ausschlagverfahren. Eine Wheatstone‘sche Messbrücke ist aufgebaut aus vier Widerständen, die zu einem geschlossenen Ring bzw. zu einem Quadrat zusammengeschaltet sind, mit einer Spannungsquelle in der einen Diagonalen und einem Spannungsmessgerät in der anderen. Je zwei Widerstände bilden einen Spannungsteiler; zwei Spannungsteiler liegen zueinander parallel. Das Spannungsmessgerät stellt zwischen diesen eine Querbeziehung her. Die unmittelbar gemessene Größe der Anordnung ist der Spannungsunterschied zwischen den Spannungsteilern. Durch das Ausschlagverfahren können kleine Widerstandsänderungen aus dem abgeglichenen Zustand heraus ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Temperatursensor und der oder die Dehnungsmessstreifen von dem Material des Tauchrohrs umspritzt. Die Sensoren sind somit von dem zu messenden Medium geschützt.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren umfassend eine oben beschriebene Wechselarmatur. Das Verfahren umfasst die Schritte: Messen einer Dehnung oder Stauchung eines Dehnungsmessstreifens; Messen einer Temperatur; und Ermitteln der Dehnung oder Stauchung des Tauchrohrs.
Bevorzugt wird in einem weiteren Schritt eine Warnung ausgegeben, wenn die Ermittelte Dehnung oder Stauchung des Tauchrohrs einen Grenzwert über- oder unterschreitet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Ermitteln der Fließgeschwindigkeit des zu messenden Mediums anhand der Dehnung oder Stauchung des Tauchrohrs.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
1 die erfindungsgemäße Wechselarmatur in Prozessstellung, und
2a/b/c ein Tauchrohr einer erfindungsgemäßen Wechselarmatur im Querschnitt in drei Ausgestaltungen mit einem (2a), zwei (2b) und vier (2c) Dehnungsmessstreifen.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
„Oben“, „oberhalb“ und verwandte Begriffe bedeuten im Sinne dieser Erfindung vom Medium abgewandt. „Unten“, „unterhalb“ und verwandte Begriffe bedeuten im Sinne dieser Erfindung dem Medium zugewandt.
Die erfindungsgemäße Wechselarmatur in ihrer Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt. Die Wechselarmatur 1 besteht aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 2, das mittels eines Anschlussmittels 13 an ein Behältnis angeschlossen werden kann. Das Anschlussmittel 13 kann etwa als Flanschverbindung, z.B. aus Edelstahl, ausgeführt werden. Andere Ausgestaltungen sind aber möglich. Im Behältnis befindet sich das zu messende Medium. Das Behältnis kann etwa ein Behälter, Kessel, Rohr, Rohrleitung o.ä. sein.
1 zeigt die Wechselarmatur 1 in der Prozessstellung. Dies wird im Folgenden näher erläutert.
Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Tauchrohr 3 geführt. Ein Sensor 16 ist durch eine, nicht näher beschriebene, Aufnahme mit dem Tauchrohr 3, beispielsweise durch Verschraubung, verbunden. Der Sensor 16 im Sinne dieser Erfindung umfasst Sensoren zur Messung einer oder mehrerer physikalischer oder chemischer Prozessgrößen. Diese sind beispielsweise pH-Wert, auch über einen ISFET, Redoxpotential, Absorption von elektromagnetischen Wellen im Medium, beispielsweise mit Wellenlängen im UV-, IR-, und/oder sichtbaren Bereich, Sauerstoff, Leitfähigkeit, Trübung, Konzentration von metallischen und/oder nicht-metallischen Werkstoffen oder Temperatur. Über eine Öffnung 8 im Tauchrohr 3 hat der Sensor 16 Zugang zum zu messenden Medium. Dabei ist die Öffnung 8 so ausgestaltet, dass sie insbesondere dann wenn die Wechselarmatur 1 in einer Rohrleitung angewendet wird, in Strömungsrichtung offen ist, d.h. dass der Sensor 16 optimal vom Medium angeströmt wird.
Das Tauchrohr 3 kann aus verschieden Materialien hergestellt sein. Der Stand der Technik kennt Tauchrohre 3 aus Stahl bzw. Edelstahl. Es sind aber Anwendungen, insbesondere in der chemischen Industrie verbreitet, bei denen chemisch widerstandfähige Materialien angewendet werden. Das Tauchrohr 3 kann somit auch aus einem Kunststoff wie Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFA), einem Perfluoralkoxy-Polymer (PFA), einem anderen Kunststoff oder widerstandsfähigen Metallen wie etwa Hastelloy hergestellt sein. Das gleiche gilt für das Gehäuse 2. Das dargestellte Tauchrohr 3 ist aus einem Kunststoff gefertigt.
Das Tauchrohr 3 ist axial in Richtung des Mediums bzw. in vom Medium abgewandter Richtung, entlang der zentralen Achse L, verschieblich gelagert. Das Tauchrohr 3 ist dabei zwischen der ins Gehäuse 2 eingefahrenen Servicestellung (nicht dargestellt) und der aus dem Gehäuse 2 ausgefahrenen Prozessstellung (in 1 dargestellt) verfahrbar. In der Prozessstellung findet die Messung statt. Über eine käfigartige Öffnung 8 im Tauchrohr 3 hat die Sonde bzw. der Sensor 16 Zugang zum zu messenden Medium. In der Servicestellung werden verschiedenste Serviceaufgaben wie Reinigung oder Kalibration durchgeführt werden. Durch den Anschluss 7 kann dabei Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- und/oder Sterilisationsmedium in den Gehäuseinnenraum, insbesondere in eine sogenannte Servicekammer (nicht dargestellt), eingelassen werden. Durch den entsprechenden Auslass 22, der sowohl axial als auch radial versetzt zum Anschluss 7 positioniert sein kann, kann die Flüssigkeit wieder ablaufen. Auch kann die Spülrichtung umgekehrt sein.
Die Verschiebung des Tauchrohrs 3 wird durch eine Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) durchgeführt, die sich oberhalb der Servicekammer befindet. Im Wesentlichen gibt es zwei verschiedene Ausgestaltungen für die Antriebsvorrichtung. Nämlich mittels manuellen Spindeltrieb oder automatischen Antrieb, etwa durch Versorgungsenergie. Wird Versorgungsenergie durch den Anschluss 4 eingebracht, bewegt sich das Tauchrohr 3 von Service- in Prozessstellung. Der Anschluss 5 dient dann als Auslass. Wird Versorgungsenergie durch den Anschluss 5 eingebracht, bewegt sich das Tauchrohr 3 von Prozess- in Servicestellung. Der Anschluss 4 dient dann als Auslass. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise pneumatische, hydraulische oder elektrische Antriebe bekannt.
Bei einem manuellen Spindelantrieb wird, ausgehend von der Servicestellung, durch Drehen einer Spindelmutter im Uhrzeigersinn das Tauchrohr 3 in die Prozessstellung verfahren. Bei Erreichen der Prozessstellung rastet eine Arretierung ein, so dass der Antrieb nicht selbstständig aus der Prozessstellung zurückfahren kann. Erst durch manuelles Entriegeln der Arretierung kann der manuelle Antrieb zurück in die Servicestellung verfahren werden. In der Servicestellung ist keine Arretierung vorhanden, ein selbstständiges Einfahren des Sensors wird jedoch durch den selbsthemmenden Spindelantrieb verhindert. Das obere Ende des Tauchrohres 3 ist genau so ausgestaltet wie bei einer mit Versorgungsenergie betriebenen Armatur 1 und wird von einer Abdeckhaube 6 umschlossen.
Ist das Tauchrohr 3 in Servicestellung, befindet sich ein Teilbereich des Tauchrohrs 3, insbesondere der Sensor 16, im Gehäuseinnenraum, wie erwähnt in der Servicekammer zum Spülen, Reinigen, Kalibrieren, Sterilisieren etc. Am unteren Ende des Tauchrohres 3 befindet sich zur Prozessabschottung das Verschlusselement 9. Das Verschlusselement 9 dichtet die Servicekammer zum Prozess, und damit zum Medium, ab. Das Medium kann heiß, giftig, ätzend oder in sonstiger Weise schädlich für Mensch und Umwelt sein. Es ist daher darauf zu achten, dass das Verschlusselement 9 sicher und dauerhaft abdichtet. Dafür werden verschiedene Dichteinrichtungen am Gehäuse 2 angebracht, insbesondere werden ein oder mehrere Mediumsdichtungen verwendet. Ausführungen umfassen eine Mediumsdichtung am Gehäuse 2 oder am unteren Endbereich des Tauchrohrs 3.
2a/b/c zeigen das Tauchrohr 2 detaillierter mit drei Ausführungsformen. 2a zeigt das Tauchrohr 3 mit einem Dehnungsmessstreifen DMS1. 2b zeigt das Tauchrohr 3 mit zwei Dehnungsmessstreifen DMS1 und DMS2, während 2c das Tauchrohr 3 mit vier Dehnungsmessstreifen DMS1, DMS2, DMS3 und DMS4 zeigt.
2a/b/c zeigen ein Tauchrohr 3 mit umspritzten Dehnungsmessstreifen DMS1, DMS2 bzw. DMS1, DMS2, DMS3, DMS4 sowie einem ebenfalls umspritzten Temperaturfühler T. Wie erwähnt besteht das Tauchrohr 3 aus einem Kunststoff, das häufig durch Spritzgussverfahren hergestellt wird. Während der Herstellung des Tauchrohrs 3 durch ein solches Verfahren werden ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen eingelegt bzw. diese werden umspritzt.
Die Dehnungsmessstreifen DMS1, DMS2, DMS3, DMS4 sind derart angeordnet, dass ein Biegemoment des Tauchrohres 3 detektiert wird. In einer Ausgestaltung werden die Dehnungsmessstreifen mittels Kleber an das Tauchrohr 3 geklebt.
Dehnungsmessstreifen im Allgemeinen sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen, es können aber auch Biegung, Torsion, Stauchung und Scherung erfasst werden. Dehnungsmessstreifen ändern schon bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand. Die Dehnungsmessstreifen befinden sich am oder im Tauchrohr 3, die sich unter Belastung, d.h. durch den Fluss des zu messenden Mediums, minimal verformen. Diese Verformung (Dehnung) führt dann zur Veränderung des Widerstands des Dehnungsmessstreifen. Dehnungsmessstreifen können hierbei in verschiedenen Materialausführungsformen wie Folien-, Draht-, und Halbleiter-Dehnungsmessstreifen sowie als Mehrfach-Dehnungsmessstreifen in verschiedenen Anordnungsformen wie Dehnungsmessstreifen mit Querdehnung, Vollbrücken-Dehnungsmessstreifen (siehe unten) und Rosetten-Dehnungsmessstreifen verwendet werden.
Metallische Dehnungsmessstreifen beispielweise basieren auf der Änderung des Widerstands durch Längen- und Querschnittsänderung. Wird ein Dehnungsmessstreifen gedehnt, so nimmt sein Widerstand zu. Wird er gestaucht (negative Dehnung), so nimmt sein Widerstand ab.
Für Standard-Dehnungsmessstreifen wird wegen der geringen Temperaturabhängigkeit trotz geringer Empfindlichkeit Konstantan gewählt. Alternativ NiCr verwendet. Für Halbleiter-Dehnungsmessstreifen wird vorwiegend Silizium verwendet, entweder in Form eines dünnen monokristallinen Streifens oder als aufgedampfte polykristalline Schicht.
Da die mechanische Beanspruchbarkeit von Kunststoffen zumeist temperaturabhängig ist, ist zusätzlich zu den Dehnungsmessstreifen, ein Temperaturfühler T installiert. Der Temperatursensor T dient einerseits dazu Übertemperatur zu erkennen, andererseits ist die mechanische Beanspruchbarkeit von Kunststoffen temperaturabhängig (Kriechen), so dass mittels Dehnungsmessstreifen und Temperatursensor die Beanspruchung des Tauchrohres 3 ermittelt werden kann. Zusätzlich ist das Verhalten des Dehnungsmessstreifen je nach Material temperaturabhängig. Der Temperaturfühler T ist idealerweise möglichst nahe am Prozess positioniert, z.B. knapp oberhalb der Öffnung 8. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Temperatursensor T in den Dehnungsmessstreifen bzw. in das Bauteil „Dehnungsmessstreifen“ integriert.
Somit kann eine übermäßige Deformation erkannt werden. Dies tritt in besonderem Maße bei hohen Durchflussraten in Verbindung mit hohen Temperaturen auf. Mechanische und thermische Überlastungen werden erkannt. Beides kann als Meldung ausgegeben werden um eine Beschädigung der Armatur 1 zu verhindern und kann gegebenenfalls mitgeschrieben werden um eine Armaturenhistorie auswerten zu können.
Durch die Dehnung und/oder Stauchung der Dehnungsmessstreifen kann die Fließgeschwindigkeit des zu messenden Mediums ermittelt werden. Eine höhere Biegung des Tauchrohrs bedeutet auch eine höhere Fließgeschwindigkeit.
In einer ersten Ausgestaltung wird ein einzelnen Dehnungsmessstreifen DMS1 verwendet. Bevorzugt ist dieser in Richtung des Flusses des zu messenden Mediums angeordnet. Um Biegespannungen in allen Richtungen detektieren zu können, sind zwei Dehnmesstreifen DMS1 und DMS2 mit 90° Versatz zueinander angeordnet. Bei der Verwendung von vier Dehnungsmessstreifen DMS1, DMS2, DMS3, DMS4 kann eine Vollbrücke aufgebaut werden, was im Folgenden erläutert wird.
Die Dehnungsmessstreifen DMS1, DMS2, DMS3, DMS4 sind als Brückenschaltung, insbesondere als Viertel-(ein Widerstand variabel), Halb-(zwei Widerstände variabel) oder Vollbrücke (vier Widerstände variabel), geschaltet. Bei der Brückenschaltung handelt es sich um eine Wheatstone‘sche Messbrücke, wobei nach dem Ausschlagverfahren gemessen wird.
Die Änderung des Widerstandes wird durch die Wheatstone’sche Brückenschaltung erfasst und als Spannungssignal in einen Verstärker eingespeist. Der Verstärker ist als Teil der intelligenten Einheit µC ausgestaltet.
Die intelligente Einheit µC wird in einer ersten Ausführung von der Wechselarmatur 1 umfasst. Bevorzugt ist die intelligente Einheit µC jedoch nicht Teil der Wechselarmatur 1, sondern extern ausgestaltet, etwa als Teil eines Messumformers. Es besteht dann eine Verbindung zwischen den Dehnungsmessstreifen DMS1, DMS2, DMS3, DMS4 und dem Messumformer, beispielsweise über ein Flachbandkabel. Der Messumformer kann auch verwendet werden um die Daten des Sensors 16 auszuwerten bzw. um den Antrieb der Wechselarmatur 1 zu steuern. Weiterhin werden die Temperaturdaten des Temperatursensors T durch die intelligente Einheit µC empfangen und ausgewertet.
Bei der Wheatstone’schen Brücke sind verschiedene Schaltungsarten möglich. Dabei macht man sich im (Kraft-)Aufnehmerbau zum einen die Querkontraktion des Sensorkörpers zunutze, auch um temperaturbedingte Dehnung (teilweise) zu kompensieren, und zum anderen werden die Dehnungsmessstreifen auf spezielle Weise auf dem Sensor angeordnet, um das Ausgangssignal in Richtung der interessierenden Messgröße zu maximieren und in anderen Richtungen zu kompensieren. Dies gelingt nur, wenn mindestens eine Halbbrücke oder bevorzugt eine Vollbrücke verwendet wird und die Dehnungsmessstreifen für jeden Belastungsfall (Biegung, Torsion, Stauchung, Scherung) auf spezielle Weise auf dem Sensor verteilt werden. Bei der Wheatstone’schen Brücke werden die Dehnungsmessstreifen bei der Halb- und Viertelbrücke mit je zwei bzw. drei Festwiderständen zur Wheatstone’schen Brücke ergänzt (sogenannte Brückenergänzung), wobei in der Regel alle vier denselben Nennwiderstand haben, der auch für die ganze Brücke gilt. Die Aufbringung der physikalischen Größe, hier also der Fluss des zu messenden Mediums, führt zu einer Verstimmung der Messbrücke, die bei spannungsmäßiger Auswertung aufgrund einer konstanten Brückenspeisespannung zu einer Differenzspannung führt. Es wird die Ausschlags-Messmethode angewendet, bei der der Messwert aus dem Ausschlag ermittelt wird. Dabei können kleine Widerstandsänderungen aus dem abgeglichenen Zustand heraus erkannt werden.
Bezugszeichenliste

1: Wechselarmatur
2: Gehäuse
3: Tauchrohr
4: Anschluss Versorgungsenergie
5: Anschluss Versorgungsenergie
6: Abdeckhaube
7: Einlass
8: Öffnung in 3
9: Verschlusselement
13: Anschlussmittel
16: Sensor
22: Auslass
DMS: Dehnungsmessstreifen
A: Schnitt
L: Längsachse von 1
T: Temperatursensor
µC: intelligente Einheit

Claims

Wechselarmatur (1) für Eintauch-, Durchfluss- und Anbau-Messsysteme in der analytischen Prozesstechnik zur Erfassung zumindest einer Messgröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend – ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse (2), – ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Tauchrohr (3), das axial im Gehäuse (2) zwischen einer aus dem Medium herausgefahrenen Servicestellung und einer in das Medium hineingefahrenen Prozessstellung beweglich ist, wobei ein Sensor (16) zur Messung der Messgröße im Tauchrohr (3) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (3) einen Temperatursensor (T) und zumindest einen ersten Dehnungsmessstreifen (DMS1) umfasst, wobei der Dehnungsmessstreifen (DMS1) in Flussrichtung des zu messenden Mediums angeordnet ist, und wobei der Temperatursensor (T) und der erste Dehnungsmessstreifen (DMS1) über eine intelligente Einheit (µC) ansteuerbar und auswertbar sind.
Wechselarmatur (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Tauchrohr (3) um ein Kunststofftauchrohr, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem Polyetherketon, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK), einem Perfluoralkoxy-Polymer (PFA), oder Polytetrafluorethylen (PTFE) handelt.
Wechselarmatur (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Tauchrohr (3) am mediumsseitigen Endbereich eine Öffnung (8) zum zu messenden Medium umfasst, und der Temperatursensor (T) an oder in der Öffnung (8) angeordnet ist.
Wechselarmatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wechselarmatur (1) einen zweiten Dehnungsmessstreifen (DMS2) umfasst, wobei der zweite Dehnungsmessstreifen (DMS2) um einen ersten Winkel, insbesondere 90°, azimutal zum ersten Dehnungsmessstreifen (DMS1) angeordnet ist.
Wechselarmatur (1) nach Anspruch 4, wobei das Tauchrohr (3) einen dritten Dehnungsmessstreifen (DMS3) und einen vierten Dehnungsmessstreifen (DMS4) umfasst, wobei die Dehnungsmessstreifen (DMS1, DMS2, DMS3, DMS4) um einen zweiten und dritten Winkel, insbesondere jeweils um 90°, azimutal zueinander versetzt angeordnet sind.
Wechselarmatur (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Dehnungsmessstreifen (DMS1, DMS2, DMS3, DMS4) als Brückenschaltung, insbesondere als Viertel-, Halb- oder Vollbrücke, geschaltet sind.
Wechselarmatur (1) nach Anspruch 6, wobei es sich bei der Brückenschaltung um eine Wheatstone‘sche Messbrücke, insbesondere nach dem Ausschlagverfahren, handelt.
Wechselarmatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Temperatursensor (T) und der oder die Dehnungsmessstreifen (DMS1, DMS2, DMS3, DMS4) von dem Material des Tauchrohrs (3) umspritzt sind.
Verfahren zur Messung von dehnenden und stauchenden Verformungen eines Tauchrohrs (3) einer Wechselarmatur (1) für Eintauch-, Durchfluss- und Anbau-Messsysteme in der analytischen Prozesstechnik nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte – Messen einer Dehnung oder Stauchung eines Dehnungsmessstreifens (DMS1, DMS2, DMS3, DMS4), – Messen einer Temperatur (T), und – Ermitteln der Dehnung oder Stauchung des Tauchrohrs (T).
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassen den Schritt – Ausgeben einer Warnung, wenn die Ermittelte Dehnung oder Stauchung des Tauchrohrs (3) einen Grenzwert über- oder unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, weiter umfassend den Schritt – Ermitteln der Fließgeschwindigkeit des zu messenden Mediums anhand der Dehnung oder Stauchung des Tauchrohrs (3).