DE102012019433A1

DE102012019433A1 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Kenngröße eines Mediums

Info

Publication number: DE102012019433A1
Application number: DE102012019433.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sinn Gert; Dr. Fritsch Thomas
Original assignee: Krohne Optosens GmbH
Current assignee: Krohne Optosens GmbH
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2014-04-24
Also published as: US20140097347A1; US8901502B2

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße eines Mediums mit einer Sensorvorrichtung (2) und einer Elektronikvorrichtung (3). Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zuvor beschriebene Vorrichtung anzugeben, die über eine Kühlung wenigstens eines Teils ihrer Komponenten verfügt. Die Aufgabe ist dadurch gelöst, dass die Sensorvorrichtung (2) und/oder die Elektronikvorrichtung (3) in einem Innenraum (4, 5) eines Gehäuses (6) angeordnet sind. An den Innenraum (4, 5) grenzt eine Durchführung (7) an und in der Nähe zur Durchführung (7) ist ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlraum (8) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße eines Mediums mit mindestens einer Sensorvorrichtung und mindestens einer Elektronikvorrichtung. Bei dem Medium handelt es sich beispielweise um eine Flüssigkeit oder eine Suspension oder um einen Bestandteil einer Flüssigkeit bzw. einer Lösung. Die Kenngröße ist beispielsweise der Eiweißgehalt eines milchhaltigen Mediums, der über die Messung der Fluoreszenz des Mediums bestimmt wird.
Eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz eines Mediums, um damit beispielsweise den Eiweißgehalt eines milchhaltigen Mediums zu bestimmen, beschreibt die Offenlegungsschrift DE 10 2009 020 252 A1 . Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von weiteren Vorrichtungen zur Bestimmung von Kenn- oder Prozessgrößen wie Füllstand, Durchfluss, Dichte, Viskosität usw. von Medien bekannt. Häufig sind die für die Bestimmung verwendeten Messvorrichtungen modular aufgebaut oder weisen zumindest einen strukturierten Aufbau auf. So gibt es meist Bauteile oder Einheiten, die spezifisch für das verwendete Messprinzip sind, und Elemente, die davon im Wesentlichen unabhängig sind. Zu den letzteren Elementen gehören z. B. Elemente der Energieversorgung, zur Umwandlung der primären Messsignale in beispielsweise über Feldbusse übertragbare Signale usw. Daher bietet sich eine weitgehende Trennung zwischen einer Sensorvorrichtung und einer Elektronikvorrichtung an. Ggf. besteht die Sensorvorrichtung auch nur aus einer mit dem Medium wechselwirkenden Komponente.
Üblicherweise sind die Sensorvorrichtung und die Elektronikvorrichtung und ggf. weitere Bauteile in einem Gehäuse untergebracht, das einen Schutz gegenüber den Prozessbedingungen erlaubt. Problematisch an dem durch das Gehäuse im Wesentlichen geschlossenen Innenraum und den zumeist Wärme erzeugenden elektrischen Bauteilen und Komponenten ist jedoch, dass viele Bauteile (darunter insbesondere Bauteile für optische Anwendungen) eine konstante Temperatur benötigen, um stabil arbeiten zu können. Daher muss insbesondere die Wärme, die von den Bauteilen oder Komponenten selbst erzeugt wird, geeignet abgeführt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße eines Mediums anzugeben, die über eine Kühlung wenigstens eines Teils ihrer Komponenten verfügt.
Die oben aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im Wesentlichen bei der in Rede stehenden Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Sensorvorrichtung und/oder die Elektronikvorrichtung zumindest teilweise in mindestens einem Innenraum eines Gehäuses angeordnet sind. Dabei grenzt an den mindestens einen Innenraum mindestens eine Durchführung an und in der Nähe zur Durchführung ist mindestens ein von mindestens einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlraum angeordnet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine aktive Kühlung vorgesehen, indem ein Kühlmedium durch einen Kühlraum im Gehäuse der Vorrichtung geführt wird. Für die optimale Kühlung ist dabei in einer Ausgestaltung wenigstens ein Temperatursensor im Gehäuse der Vorrichtung vorgesehen. In einer Ausgestaltung befindet sich der Kühlraum entlang einer Längsachse des Gehäuses insbesondere zumindest teilweise auf einer Höhe, auf der sich auch die Durchführung befindet. In einer Ausgestaltung wird die Durchführung insbesondere zumindest teilweise koaxial vom Kühlraum umgeben.
Insgesamt verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Sensor- und eine Elektronikvorrichtung. In einem Gehäuse mit mindestens einem Innenraum befindet sich wenigstens teilweise mindestens die Sensor- oder die Elektronikvorrichtung. Angrenzend an den Innenraum ist wenigstens eine Durchführung vorgesehen, in dessen Nähe sich ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlraum befindet. Der Kühlraum ist dabei ein Hohlraum, der wenigstens teilweise im Gehäuse angeordnet ist und das beispielweise von Wasser oder einem Gas bzw. Gasgemisch durchströmt wird.
Bei den zu stabilisierenden Bauteilen handelt es sich beispielsweise um LEDs, Komponenten eines Lasers, Photomultiplier oder um Halbleiterdetektoren.
In einer Ausgestaltung verfügt das Gehäuse mindestens über einen ersten und einen zweiten Innenraum. Dabei ist die Durchführung zwischen dem ersten Innenraum und dem zweiten Innenraum angeordnet ist. Durch die Durchführung hindurch wird vorzugsweise die elektrische Verbindung zwischen den in den jeweiligen Innenräumen angesiedelten Komponenten oder Bestandteilen der Messvorrichtung realisiert.
In einer Ausgestaltung befindet sich im ersten Innenraum die Elektronikvorrichtung und im zweiten Innenraum die Sensorvorrichtung. Alternativ befindet sich ein Teil der Sensorvorrichtung im ersten Innenraum und ein Teil der Sensorvorrichtung im zweiten Innenraum. Gleiches ist alternativ für die Elektronikvorrichtung realisiert, die in einer Ausgestaltung teilweise im ersten und im zweiten Innenraum platziert ist und deren Bestandteile durch die Durchführung hindurch miteinander verbunden sind.
In der Durchführung ist in einer Ausgestaltung mindestens eine elektrische Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung und der Elektronikvorrichtung angeordnet. So ist beispielsweise eine Steckerverbindung durch die beispielsweise tunnelartige Durchführung hindurchgeführt. Alternativ oder ergänzend sind elektrische Leitungen oder Pins für die Verbindung der Sensorvorrichtung und der Elektronikvorrichtung miteinander vorgesehen. Befinden sich in den mindestens zwei Innenräumen jeweils Teile der Sensor- bzw. Elektronikvorrichtung, so erlaubt die Durchführung entsprechend die Anordnung von Verbindungen zwischen den Bestandteilen oder Teilkomponenten der Elektronik- bzw. Sensorvorrichtung.
In einer Ausgestaltung umgibt der Kühlraum zumindest teilweise die Durchführung umfänglich. Der Kühlraum ist daher in einer Ausgestaltung konzentrisch um die Durchführung herum angeordnet. Der Kühlraum ist dabei vorzugsweise wenigstens teilweise hohlzylindrisch ausgestaltet und verläuft entlang eines vorgebbaren Radius um die Durchführung. In einer alternativen Ausgestaltung erstreckt sich der Kühlraum auch wenigstens teilweise durch die Durchführung hindurch. Der Kühlraum befindet sich dabei insbesondere in Nähe der besonders temperaturkritischen Bauteile oder Komponenten. Alternativ oder ergänzend wird durch die Ausformung und Anordnung des Kühlraums eine möglichst großräumige Temperierung erzielt. In einer Ausgestaltung sind zwischen den zu kühlenden Komponenten bzw. Bereichen im Gehäuse möglichst wenige und möglich thermisch gut leitfähige Bauteile usw. angeordnet. Das Gehäuse um den Kühlraum ist dabei vorzugsweise aus Edelstahl gebildet und schlängelt sich in einer Ausgestaltung zumindest teilweise mäanderförmig um die Durchführung.
In einer Ausgestaltung ist benachbart zum Kühlraum mindestens ein Kühlelement vorgesehen. Ein solches Kühlelement verstärkt in einer Ausgestaltung die Kühlwirkung des Kühlmittels. In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung ist die Kühlung über die Verwendung des Kühlraums der Kühlung über das Kühlelement nachgeschaltet, wobei über diese sekundäre Kühlung in einer Ausgestaltung die vom Kühlelement erzeugte Wärme abgeführt wird. In einer Ausgestaltung sind insbesondere mehrere Kühlelemente vorgesehen, vorzugsweise in der Nähe des Kühlraums. In einer Ausgestaltung handelt es sich wenigstens bei einem Kühlelement um ein Peltier-Element.
In einer Ausgestaltung ist axial entlang einer Längsachse des Gehäuses zu beiden Seiten des Kühlraums – d. h. axial vor und hinter dem Kühlraum – jeweils mindestens ein Kühlelement vorgesehen. Dies dient insbesondere dazu, dass temperaturempfindliche Komponenten zu beiden Seiten des Kühlraums mittels der Kühlelemente gekühlt und dass die Kühlelemente wiederum gemeinsam durch das Kühlmittel im Kühlraum gekühlt werden.
In einer Ausgestaltung ist das Gehäuse mehrteilig und insbesondere mindestens zweiteilig ausgestaltet.
In einer Variante ist der Kühlraum im Wesentlich vollständig in einem Teil des Gehäuses untergebracht.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der Kühlraum durch Strukturen eines den mindestens einen Innenraum umschließenden ersten Gehäuseteils und durch Strukturen in mindestens einem weiteren Gehäuseteil gebildet. Der Kühlraum ergibt sich daher durch ein Zusammenfügen der beiden Gehäuseteile. Bei den Strukturen handelt es sich beispielsweise um Aussparungen, Erhöhungen usw., die insbesondere zueinander korrespondierend ausgestaltet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ergibt sich der Kühlraum durch Strukturen, die zu mindestens drei Gehäuseteilen gehören.
In einer Ausgestaltung befindet sich in einem zweiten Gehäuseteil der zweite Innenraum. Damit einhergehend befindet sich in einer Ausgestaltung die Durchführung zwischen dem ersten und dem zweiten Innenraum und dadurch zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil, die jeweils die beiden Innenräume umfassen bzw. bilden.
In einer alternativen Ausgestaltung grenzt die Durchführung an einen Innenraum an und endet außerhalb des Gehäuses.
In einer Ausgestaltung weist das Gehäuse als ein Bestandteil mindestens ein im Wesentlichen scheibenartiges Trennelement auf, das mindestens einen Teil der Durchführung bildet. In einer Ausgestaltung befindet sich das Trennelement zwischen den beiden Innenräumen des Gehäuses.
Die Mehrteiligkeit des Gehäuses und beispielsweise auch das Trennelement erlauben bei einem lösbaren Zusammenbau den Zugriff auf die im Gehäuse verbauten Komponenten. Insbesondere ein Kühlraum, der sich durch das Zusammenspiel mehrerer – insbesondere lösbar miteinander verbundener – Gehäuseteile ergibt, erlaubt auch im Betrieb – d. h. beim im Prozess verbauten Messgerät – einen einfachen und ggf. vollständigen Zugriff, der z. B. für Reinigungszwecke genutzt werden kann. Bleibt dabei die Sensorvorrichtung in einem Innenraum eines Gehäuseteils beschränkt, so ist auch gewährleistet, dass die einzelnen Komponenten der Sensorvorrichtung zueinander ausgerichtet bleiben, was insbesondere bei optischen Messvorrichtungen höchst relevant ist.
In einer Ausgestaltung ist das Gehäuse zumindest im Bereich der Durchführung im Wesentlichen rotationssymmetrisch und/oder kreiszylindrisch ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung weist die Sensorvorrichtung mindestens eine Strahlenquelle und mindestens ein Strahlenempfangselement auf. Weiterhin ist die Sensorvorrichtung zur Messung mindestens der Fluoreszenz des Mediums ausgestaltet. Die Art der Fluoreszenzmessung bzw. die Ermittlung von Kenngrößen des Mediums daraus richtet sich beispielsweise nach der Lehre der Offenlegungsschrift DE 10 2009 020 252 A1 .
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 ein erstes schematisches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz eines Mediums und
2 ein Detail eines zweiten Ausführungsbeispiels im Schnitt.
Die in der 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 1 dient zur Messung mindestens der Fluoreszenz zur Bestimmung einer Kenngröße eines – hier nicht dargestellten – Mediums. Dafür verfügt die dargestellte Vorrichtung 1 über eine Sensorvorrichtung 2 und eine Elektronikvorrichtung 3. Die Sensorvorrichtung 2 umfasst dabei auch elektronische Bauteile und Elemente, jedoch hauptsächlich nur solche Komponenten, die der eigentlichen Messung dienen. Die Elektronikvorrichtung 3 umfasst eher generell erforderliche Bauteile (wie z. B. für die Energieversorgung, der Steuerung von Sensorkomponenten, der Weiterverarbeitung von Messdaten usw.), die eher vom eigentlichen in der Vorrichtung 1 umgesetzten Messprinzip unabhängig sind.
Um einen Schutz der Elemente der Sensorvorrichtung 2 bzw. der Elektronikvorrichtung 3 gegenüber den Prozess- und Umweltbedingungen zu erzeugen, befindet sich die Elektronikvorrichtung 3 in einem ersten Innenraum 4 und die Sensorvorrichtung 2 in einem zweiten Innenraum 5 des die Vorrichtung 1 insgesamt umschließenden Gehäuses 6. Das Gehäuse 6 ist hier insbesondere mehrteilig, d. h. aus mehreren Komponenten/Bestandteilen bestehend ausgeführt, die beispielsweise über Schraubverbindungen lösbar miteinander verbunden sind.
In dem Gehäuse 6 befindet sich eine Durchführung 7 für die Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung 2 und der Elektronikvorrichtung 3 bzw. zwischen deren Komponenten. In diesem – im Wesentlichen flanschartigen – Übergangsbereich des Gehäuses 6 zwischen den beiden Innenräumen 4, 5 ist ein Kühlraum 8 vorgesehen, der von einem – hier nicht dargestellten – Kühlmittel, z. B. Wasser oder einem Gas oder Gasgemisch, durchströmt wird.
Das dargestellte Gehäuse 6 ist rotationssymmetrisch ausgestaltet und ist insbesondere auf der Höhe der Durchführung 7 bzw. des Kühlraums 8 kreiszylindrisch ausgestaltet. Der Kühlraum 8 umgibt dabei in der gezeigten Ausgestaltung umfänglich – gleichsam als Hohlzylinder – die Durchführung 7 und damit auch die elektrische Verbindung 9 in der Durchführung 7. Die elektrische Verbindung 9 ist beispielsweise ein zumindest teilweise eingegossener Steckkontakt in Verbindung mit elektrischen Leitungen, der die Kontaktierung zwischen der Sensorvorrichtung 2 und der Elektronikvorrichtung 3 herstellt.
Durch den Kühlraum 8 wird eine aktive Kühlung ermöglicht, die insbesondere die von den in Nachbarschaft zum Kühlraum 8 angeordneten Kühlelementen 10 erzeugte Wärme abführt. Die Kühlelemente 10 sind beispielsweise Peltier-Elemente, die der aktiven Kühlung von Elementen der Sensorvorrichtung 2 bzw. der Elektronikvorrichtung 3 dienen. Den Kühlelementen 10 nachgeordnet und damit als sekundäres Kühlsystem wird das – nicht dargestellte – Kühlmedium durch den Kühlraum 8 geführt und dadurch die Kühlung der – als primäreres Kühlsystem wirkenden – Kühlelemente 10 bewirkt.
Das mehrteilige – hier insbesondere dreiteilige – Gehäuse 6 verfügt über ein erstes Gehäuseteil 11, das den ersten Innenraum 4 umschließt und die Elektronikvorrichtung 3 umfasst, ein im Wesentlichen scheibenförmiges Trennelement 12 und ein zweites Gehäuseteil 13, das die Sensorvorrichtung 2 im zweiten Innenraum 5 aufweist. In einer weiteren – hier nicht gezeigten – Ausgestaltung sind das Trennelement 12 und das erste Gehäuseteil 11 oder das zweite Gehäuseteil 13 einteilig ausgeführt.
Das Trennelement 12 und das erste Gehäuseteil 11 verfügen jeweils über Strukturen (Aussparungen, Erhöhungen etc.), die zusammen den Kühlraum 8 begrenzen. Das Trennelement 12 bildet dabei insbesondere auch einen Teil der Durchführung 7 und schließt gleichsam als Deckel den Kühlraum 8 in Richtung des zweiten Gehäuseteils 13 ab.
Für die eigentliche Messung sind als Teil der Sensorvorrichtung 2 mindestens eine Strahlenquelle 14 und ein Strahlenempfangselement 15 vorgesehen, die hier in Richtung eines Fensters des Gehäuses 6 elektromagnetische Wellen abstrahlen bzw. nach einer Wechselwirkung mit dem – hier nicht dargestellten – Medium empfangen. Beispielsweise aus der Detektion der vom Medium bzw. einem Bestandteil des Mediums abgestrahlten Fluoreszenzstrahlung kann das Medium genauer charakterisiert werden. Dies geschieht hier insbesondere inline, also ohne die Entnahme einer Probe aus dem Prozess. Für die weiteren Details der Messung wird beispielhaft auf die Offenlegungsschrift DE 10 2009 020 252 A1 verwiesen.
Die für die primäre Kühlung der Bauteile der Sensorvorrichtung 2 bzw. der Elektronikvorrichtung 3 vorgesehenen Kühlelemente 10 befinden sich axial entlang der Längsachse 16 des Gehäuses 6 vor und hinter dem Kühlraum 8. Die Wärme der Kühlelemente 10 wird durch das Kühlmedium abgeführt, das durch die Anschlusszugänge 17 zu- bzw. abgeführt wird und dadurch den Kühlraum 8 durchströmt. Hierfür wird beispielsweise über Schläuche eine Pumpe oder Ähnliches für das Durchströmen des Kühlmittels angeschlossen.
Ein Trennelement 12 einer alternativen Ausgestaltung zeigt die 2. Dabei befinden sich die Aussparungen für die vom Kühlmittel zu durchströmenden Kühlrühme 8 im Trennelement 12 und nicht – wie in der Variante der 1 – im ersten Gehäuseteil. An die Kühlräume 8, die um die Durchführung 7 herum angeordnet sind, grenzen die Anschlusszugänge 17 an. Der – hier zeichnerisch untere – Anschlusszugang 17 ist mit einer Steckverschraubung 18 versehen, die einen Anschluss eines Schlauchs für das Kühlmittel erlaubt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009020252 A1 [0002, 0023, 0034]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße eines Mediums mit mindestens einer Sensorvorrichtung (2) und mindestens einer Elektronikvorrichtung (3), wobei die Sensorvorrichtung (2) und/oder die Elektronikvorrichtung (3) zumindest teilweise in mindestens einem Innenraum (4, 5) eines Gehäuses (6) angeordnet sind, wobei an den mindestens einen Innenraum (4, 5) mindestens eine Durchführung (7) angrenzt und wobei in der Nähe zur Durchführung (7) mindestens ein von mindestens einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlraum (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) mindestens einen ersten Innenraum (4) und einen zweiten Innenraum (5) aufweist, wobei die Durchführung (7) zwischen dem ersten Innenraum (4) und dem zweiten Innenraum (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchführung (7) mindestens eine elektrische Verbindung (9) zwischen der Sensorvorrichtung (2) und der Elektronikvorrichtung (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum (8) zumindest teilweise die Durchführung (7) umfänglich umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zum Kühlraum (9) mindestens ein Kühlelement (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) mindestens zweiteilig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum (8) durch Strukturen eines den mindestens einen Innenraum (4, 5) umschließenden ersten Gehäuseteils (11) und Strukturen in mindestens einem weiteren Gehäuseteil (12) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) mindestens ein im Wesentlichen scheibenartiges Trennelement (12) aufweist, wobei das Trennelement (12) mindestens einen Teil der Durchführung (7) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) zumindest im Bereich der Durchführung (7) im Wesentlichen rotationssymmetrisch und/oder kreiszylindrisch ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (3) mindestens eine Strahlenquelle (14) und mindestens ein Strahlenempfangselement (15) aufweist, wobei die Sensorvorrichtung (3) zur Messung mindestens der Fluoreszenz des Mediums ausgestaltet ist.