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Die Erfindung betrifft einen multifunktionalen Sensor für die Prozessindustrie.
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Die klassischen Messgrößen der Prozessautomatisierungstechnik in Rohrleitungen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Vibration, Leitfähigkeit, pH-Wert, Dichte werden mit Sensoren unterschiedlichster physikalischer Prinzipien wie z. B. resistiv, piezoresistiv, kapazitiv, magnetisch-induktiv, Coriolis, elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, Dichte usw. gemessen und mit Hilfe von zugehörigen Transmittern in ein in der Industrie standardisiertes Messsignal umgesetzt.
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Bekannt sind jedoch nur wenige multivariable Systeme, die auch meist nur wenige dieser Messgrößen über ein und denselben Prozessanschluss erfassen. So gibt es z. B. Drucksensoren oder Vortex-Durchflussmesser mit integrierter Messung der Prozesstemperatur.
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Bekannt sind ebenfalls Systeme, bei denen die Messungen in einem Rohrabschnitt oder einem Zwischenflansch durchgeführt werden. Hierzu gehören multivariable Drucksensoren mit integrierter Differenzdruckmessung, die in Verbindung mit einer Blende auch Durchfluss und Temperatur messen oder Coriolis-Flowmeter oder Ultraschall-Flowmeter, die auch zur Dichtemessung eingesetzt werden können. Bei Coriolis- und Ultraschall-Flowmetern für die Prozessindustrie handelt es sich i. d. R. um sogenannte 4-Leiter-Messgeräte, die keine energieautarke Messung über viele Jahre erlauben.
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Der Energieverbrauch ist einerseits durch die Signalübertragung bestimmt, die häufig den größeren Teil der zur Verfügung stehenden Energie verbraucht (z. B. 4-20 mA-Zweileitertechnik). Zur Minimierung des Energieverbrauchs wird daher zunächst eine geeignete Signalübertragung mit möglichst geringern Verbrauch genutzt (i. d. R 3-Leitertechnik oder Funk) und dann ein Messverfahren gewählt, dass selbst möglichst wenig Energie verbraucht (z. B. piezoresistiv mit möglichst großen Widerständen). Zur weiteren Senkung des Energieverbrauchs kann die Messung mit einer verringerten Abtastrate durchgeführt werden, wobei sich die erreichte Energieeinsparung aus dem Abtastverhältnis ergibt.
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Weiterhin ist an den Messstellen oft keine Spannungsversorgung vorhanden. Die Sensoren müssen daher autark funktionieren, also z. B. aus Batterien oder Energiewandlern wie Solarzellen gespeist werden. Ein minimierter Energieverbrauch erlaubt in dem Fall kleinere Energiespeicher bei gleicher Abtastrate bzw. höhere Abtastraten bei gleichem Energievorrat. In vielen Anwendungen ist jedoch eine kontinuierliche Abtastrate zum Teil mit Abtastraten bis in den kHz-Bereich erforderlich, so dass hier kontinuierlich messende, energieautarke Systeme bisher ausgeschlossen sind.
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Aus der
DE 10 2018 209 563 B3 ist ein multifunktionaler Sensor für die Prozessindustrie bekannt, der ein Prozessanschlussgehäuse mit einer prozessseitigen Öffnung aufweist. In dem Prozessanschlussgehäuse ist eine Druckmesszelle mit einer die prozessseitige Öffnung abschließenden und auf ihrer prozessabgewandten Seite mit Dehnungsmesswiderständen versehenen Messmembran angeordnet. Zwischen einem inneren Anschlag in dem Prozessanschlussgehäuse und der Druckmesszelle liegt ein piezokeramisches Ringteil. Die Dehnungsmesswiderstände und das piezokeramischen Ringteil sind mit einer Messelektronik zur Druckmessung und ultraschallbasierten Füllstandsmessung verbunden.
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Es ist ferner bekannt, den Durchfluss von Fluiden mit einer elektrischen Leitfähigkeit oberhalb einer Mindestleitfähigkeit zu messen, indem in dem Fluid ein senkrecht zu seiner Strömungsrichtung verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird, so dass senkrecht zur Strömungsrichtung und zum Magnetfeld eine Spannung induziert wird, die proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und damit zum Durchfluss ist und mit Hilfe von Messelektroden abgegriffen und anschließend ausgewertet wird. Solche magnetisch-induktiven Durchflussmesser sind sowohl als Eintauchsensoren als auch in Form von Inline-Geräten bekannt. So ist aus der
DE 33 19 807 A1 ,
JP 2005-180962 A oder der
US 7,055,396 B1 ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einer in das Fluid eintauchenden Sonde bekannt, die in einem Gehäuse einen Elektromagneten enthält und zwei mit gegenseitigem Abstand außen angeordnete Elektroden aufweist. Aus der
EP 1 431 716 A1 ist ein Inline-Durchflussmesser bekannt, in dem beispielsweise mittels eines Permanentmagneten ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird, so dass der Durchflussmesser möglichst energiearm betrieben werden kann und keine Störfelder verursacht. Ein zweites Elektrodenpaar, das parallel zu dem Magnetfeld und damit senkrecht zu dem Messelektrodenpaar ausgerichtet ist, dient zur Aufnahme von Störspannungen, die von der Messspannung subtrahiert werden.
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In der Prozessindustrie stellt sich oft die Aufgabe, gleichzeitig mehrere Prozessgrößen zu messen, ohne dass dazu separate Prozess-Messumformer, beispielsweise ein Druckmessumformer und zur Durchflussmessumformer, benötigt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für eine gleichzeitige Druck- und Durchflussmessung zu verringern.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 definierten multifunktionalen Sensor gelöst, von dem vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein multifunktionaler Sensor für die Prozessindustrie mit folgenden Merkmalen:
- - ein Prozessanschlussgehäuse mit einer prozessseitigen Öffnung,
- - in dem Prozessanschlussgehäuse ist eine Druckmesszelle mit einer Messmembran aus einem Isolationsmaterial angeordnet, die die Öffnung in dem Prozessanschlussgehäuse abschließt und auf ihrer prozessabgewandten Seite Dehnungsmesswiderstände aufweist,
- - in dem Prozessanschlussgehäuse ist eine Magnetanordnung angeordnet, deren Magnetfeld auf einen mittleren Bereich der Messmembran konzentriert ist und durch diese hindurch in den Prozess eindringt,
- - auf der prozesszugewandten Seite der Messmembran sind außerhalb des mittleren Bereichs einander diametral gegenüberliegende Elektroden ausgebildet,
- - das Prozessanschlussgehäuse enthält eine Messelektronik, die mit den Dehnungsmesswiderständen und den Elektroden verbunden und im Zusammenwirken mit diesen zur Druckmessung und magnetisch-induktiven Durchflussmessung ausgebildet ist.
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Der erfindungsgemäße multifunktionale Sensor vereint in vorteilhafter Weise einen Druckmesser und einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser in einem einzigen Gerät mit einem einzigen Prozessanschluss.
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Um das Ergebnis der magnetisch-induktiven Durchflussmessung von Störungen, beispielsweise Offset-Störungen oder Rauschen, zu befreien, können auf der prozesszugewandten Seite der Messmembran weitere Elektroden ausgebildet sein, die senkrecht zu Anordnung der Elektroden einander diametral gegenüberliegen. Die Messelektronik ist dann ferner zur Korrektur der magnetisch-induktiven Durchflussmessung anhand der zwischen den weiteren Elektroden erfassten elektrischen Spannung ausgebildet. Zusätzlich kann zwischen den weiteren Elektroden eine Impedanz oder Leitfähigkeit eines Prozessfluids gemessen werden, um zu detektieren, wenn das Prozessfluid in einem Rohr oder Behälter bis an den multifunktionalen Sensor ansteigt, oder um eine Änderung des Prozessfluids zu analysieren, wenn z. B. Abwasser in Trinkwasser gelangt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen multifunktionalen Sensors liegt die Druckmesszelle mit der Messmembran an einer die Öffnung umgebenden inneren Schulter des Prozessanschlussgehäuses, welches einen inneren Anschlag enthält, zwischen dem und der prozessabgewandten Rückseite der Druckmesszelle ein piezokeramisches Ringteil liegt; die Messelektronik ist ferner mit dem piezokeramischen Ringteil verbunden und zur Detektion von Druckstößen und/oder zur ultraschallbasierten Füllstandsmessung oder Durchflussmessung ausgebildet. Bei der Füllstandsmessung wird die Laufzeit zwischen dem Senden eines Ultraschallimpulses und dem Empfangen des reflektierten Impulses (Echo) als Maß für die Distanz zwischen der Messmembran des multifunktionalen Sensors und der Oberfläche eines Prozessmediums gemessen. Bei geeigneter Ausformung oder Ausrichtung des Prozessanschlusses ist auch eine Durchflussmessung nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip möglich, wobei unterschiedliche Laufzeiten von Ultraschallimpulsen in Abhängigkeit zur Strömungsrichtung eines strömenden Prozessfluids ausgewertet werden.
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Weiterhin können mit dem piezokeramische Ringteil dynamische Druckverläufe wie Druckschwankungen oder Vibrationen aufgenommen und in der Messelektronik ausgewertet werden.
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Der erfindungsgemäße multifunktionale Sensor enthält vorzugsweise eine Batterie zu seiner ausschließlichen Stromversorgung. Um eine möglichst hohe Batterielebensdauer zu gewährleisten kann die Messelektronik einen Triggereingang aufweisen, über den sie aus einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand versetzbar ist. An dem Triggereingang kann insbesondere das piezokeramische Ringteil angeschlossen sein, um ein Druckstoß-Ereignis zu detektieren. Es können stattdessen oder zusätzlich die Elektroden und/oder die weiteren Elektroden des magnetisch-induktiven Durchflussmessers angeschlossen sein, um zu detektieren, wenn die Elektroden in Berührung mit einem Prozessmedium kommen. Der multifunktionale Sensor ist daher die meiste Zeit in einem Ruhemodus, in dem nahezu keine Energie verbraucht wird, und wird nur nach Detektieren eines der genannten Ereignisse für weitere Messungen wie z. B. eine Druckmessung mittels des Drucksensors oder eine magnetisch-induktive Durchflussmessung aktiviert. Die Messelektronik ermittelt dabei für eine vorgegebene Zeit Messdaten, vorzugsweise Rohmessdaten, die drahtgebunden, vorzugsweise aber drahtlos, an eine übergeordnete Einheit übertragen werden können.
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Neben der Druck- und Durchflussmessung lässt sich in vorteilhafter Weise auch eine Messung der Prozesstemperatur ermöglichen, indem auf der prozessabgewandten Seite der Messmembran mindestens ein Temperatursensor aufgebracht und die Messelektronik des Sensors ferner zur Temperaturmessung ausgebildet ist. Neben der Messung der Prozesstemperatur können auch die Wärmeleitfähigkeit oder der Durchfluss eines Prozessfluids gemessen werden, indem einer der Temperatursensoren als Heizelement betrieben wird und mittels des oder der anderen Temperatursensoren ein Wärmeabfluss oder -transport über das Prozessfluid gemessen wird.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; im Einzelnen zeigen
- 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen multifunktionalen Sensors,
- 2 ein Beispiel für die Messmembran der Druckmesszelle,
- 3 ein Blockschaltbild des multifunktionalen Sensors und
- 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen multifunktionalen Sensors, der an einem Prozessrohr montiert ist.
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Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse.
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1 zeigt einen multifunktionalen Sensor 1 für die Prozessindustrie mit einem zylindrischen Prozessanschlussgehäuse 2 aus Metall, das prozessseitig eine kreisrunde Öffnung 3 enthält. In dem Prozessanschlussgehäuse 2 ist eine dosenförmige Druckmesszelle 4 angeordnet, die aus einem einen Messzellenkörper 5 und einer an ihm gehaltenen Messmembran 6 aus einem isolierenden Material besteht. Vorzugsweise bestehen sowohl die Messmembran 6 als auch der Messzellenkörper 5 aus einer Keramik und sind durch Verschmelzen einer Glasfritte 7 miteinander verbunden. Auf der prozessabgewandten Seite der Messmembran 6 sind Dehnungsmesswiderstände (Dehnungsmessstreifen) 8 und ein oder mehrere Temperatursensoren (z. B. PTC-Widerstände) 9 aufgebracht. Die Druckmesszelle 4 liegt mit der Messmembran 5 an einer die Öffnung 3 umgebenden inneren Schulter 10 des Prozessanschlussgehäuses 2 an und schließt die Öffnung 3 über einen Dichtring 11 in einer in der Schulter 10 enthaltenen Umlaufnut 12 vakuumdicht ab. Ein Zentrierring 13 zwischen der zylindrischen Seitenwand der Druckmesszelle 4 und der Innenwand des Prozessanschlussgehäuses 2 dient zum koaxialen Zentrieren der Druckmesszelle 4 in dem Prozessanschlussgehäuse 2. Der Messzellenkörper 5 enthält auf seiner prozessabgewandten Rückseite eine zentrale Kreisöffnung 14.
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In dem Prozessanschlussgehäuse 2 ist ein Ringelement 15 gehalten, das außen mit der Innenwand des Prozessanschlussgehäuses 2 verbunden ist und einen inneren Anschlag bildet, zwischen dem und der prozessabgewandten Rückseite der Druckmesszelle 4 ein axial wirkendes piezokeramisches Ringteil 16 in kraftschlüssigem axialen Kontakt mit der Druckmesszelle 4 und dem Anschlag 15 liegt. Von dem piezokeramischen Ringteil 16 bei elektrischer Anregung erzeugte axiale Schwingungen können über den Messzellenkörper 5 auf die Messmembran 6 übertragen werden und diese zu Schwingungen anregen. Umgekehrt werden auf die Messmembran 6 einwirkende axiale Kräfte (Druck, Vibrationen usw.) auf das piezokeramische Ringteil 16 übertragen, das eine entsprechende messbare Piezospannung erzeugt.
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In dem Prozessanschlussgehäuse 2 ist weiterhin eine Magnetanordnung 17 angeordnet, die hier z. B. in Form eines Topfmagnets mit einem Magnet 18 und dem Prozessanschlussgehäuse 2 als Magnetgehäuse ausgebildet ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Permanentmagnet, der sich durch die Öffnungen des Ringelements (Anschlags) 15 und des piezokeramischen Ringteils 16 sowie durch die Kreisöffnung 14 in der Rückwand des Messzellenkörpers 5 hindurch in das Innere der Druckmesszelle 4 erstreckt und dort mit einem Magnetpol 19 vor der Messmembran 6 endet. Der andere Magnetpol 20 wird von dem die Öffnung 3 ringförmig umgebenden Bereich des Prozessanschlussgehäuses 2 gebildet. Alternativ kann ein Elektromagnet vorgesehen werden. Zwischen den Magnetpolen 19, 20 verläuft ein Magnetfeld 21, das auf einen mittleren Bereich der Messmembran 6 konzentriert ist und durch diese hindurch in eine Prozess- oder Messumgebung (kurz: Prozess) 22 eindringt. Auf der dem Prozess 22 zugewandten Seite der Messmembran 6 sind im Randbereich, also außerhalb des von dem Magnetfeld 21 durchsetzten mittleren Bereichs, einander diametral gegenüberliegende Elektroden 23, 24 ausgebildet, um eine in einem strömenden Prozessfluid 25 magnetisch-induktiv erzeugte Messspannung erfassen zu können. Das piezokeramische Ringteil 16 und die Dehnungsmesswiderstände 8, Temperatursensoren 9 und Elektroden 23, 24 auf der Messmembran 6 sind über Leitungen 26 mit einer Messelektronik 27 auf einer Leiterplatte 28 verbunden. In dem Prozessanschlussgehäuse 2 kann weiterhin eine hier nicht gezeigte Batterie zur Stromversorgung des multifunktionalen Sensors 1 untergebracht sein. Die Messelektronik 27 ist dazu ausgebildet, im Zusammenwirken mit dem piezokeramischen Ringteil 16, den Dehnungsmesswiderständen 8, Temperatursensoren 9 und Elektroden 23, 24 Prozessgrößen zu erfassen, zu einem bestimmten Grad auszuwerten und über eine drahtgebundene Schnittstelle 29 und/oder eine drahtlose Schnittstelle (Funkmodul) 30 an eine übergeordnete Stelle zu übertragen.
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2 zeigt beispielhaft die Messmembran 6 in einer Sicht auf die prozessabgewandte Seite. Die Dehnungsmesswiderstände 8, drei Temperatursensoren 9, die beiden durchkontaktierten Elektroden 23, 24 und zwei weitere auf der prozesszugewandten Seite der Membran 6 angeordnete durchkontaktierte Elektroden 31, 32 sind über Leiterbahnen 33 mit Anschlussstellen 34 im Randbereich der Messmembran 6 (wahlweise in der Nähe oder im Bereich der Glasfritte 7) verbunden. Dabei sind die Dehnungsmesswiderstände 8 in einer Messbrücke verschaltet, wobei sich zwei Widerstände idealerweise im Bereich maximaler Stauchung und die beiden anderen Widerstände im Bereich maximaler Dehnung befinden. Von den Anschlussstellen 34 erfolgt über die Leitungen 26 (1) die Verbindung zu der Messelektronik 27. Die Elektroden 23, 24 und die weiteren Elektroden 31, 32 sind kreuzweise einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Elektroden 23, 24 auf einer Linie quer zur Strömungsrichtung des Prozessfluid 25 und die weiteren Elektroden 31, 32 auf einer Linie längs dazu liegen. Idealerweise ist der Abstand der jeweils gegenüberliegenden Elektroden 23, 24 bzw. 31, 32 kleiner als der halbe Abstand einer Elektrode 23, 24, 31, 32 zum Randbereich des Sensors 1. Andernfalls würden Spannungs- bzw. Leitfähigkeitsmessungen durch die leitfähige Einspannung des Sensors verfälscht. Ferner ergibt sich die bestmöglichste Befreiung von Offsetstörungen oder Rauschen durch eine möglichst symmetrische Anordnung der Elektroden 23, 24, 31, 32.
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Die drei Temperatursensoren 9 sind bei dem gezeigten Beispiel ebenfalls auf einer Linie längs zur Strömungsrichtung des Prozessfluid 25 angeordnet.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des multifunktionalen Sensors 1 in Form eines Blockschaltbildes. Die Messelektronik 27 enthält einen stromsparenden Mikrocontroller 35, in dem das bei dem hier gezeigten Beispiel für kurzreichweitige Funkverbindungen (z. B. Bluetooth, WLAN) ausgelegte Funkmodul 30 integriert sein kann. Als Empfänger für die von dem multifunktionalen Sensor 1 übertragenen bzw. aus der Messelektronik 27 ausgelesenen Daten kommt z. B. ein mobiles Kommunikationsendgerät 36 wie ein Gateway, Smartphone, Tabletcomputer oder Laptop in Betracht, mit dem die Daten ggf. ausgewertet, visualisiert oder an eine hier nicht gezeigte entfernte Stelle, z. B. einen lokalen Server oder einen Cloud-Server, weitergeleitet werden können. Das mobile Kommunikationsendgerät 36 kann auch zum Parametrieren des multifunktionalen Sensors 1 verwendet werden. Optional kann das Funkmodul 30 auch mit einer langreichweitigen Funkverbindung (GSM, LoRa-Wa)ausgestattet sein, so dass auf einen lokalen, anwenderseitigen Empfänger verzichtet werden kann, was sich jedoch mit einem höheren Energieverbrauch verbunden ist.
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An dem Mikrocontroller 35 sind über ein Bussystem 37 ein RAM-Speicher 38, ein Flash-Speicher 39 und Messports 40, 41, 42, 43, 44 für die unterschiedlichen Einzelsensoren, hier die Elektroden 23, 24, die weiteren Elektroden 31, 32, die Temperatursensoren 9, die Dehnungsmesswiderstände 8 und das piezokeramische Ringteil 16, angeschlossen. Die Messports 40, 41, 42, 43, 44 bereiten die analogen Sensorsignale auf und setzen sie in digitale Werte um. Das piezokeramische Ringteil 16 und/oder die weiteren Elektroden 31, 32 (oder ggf. die Elektroden 23, 24) können ferner über einen Triggerport 45 an einem Triggereingang 46 des Mikrocontrollers 35 angeschlossen werden. Der multifunktionale Sensor 1 verfügt schließlich über eine Echtzeituhr 47 und eine interne Batterie 48 zur Stromversorgung der elektrischen und elektronischen Komponenten.
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Um eine möglichst hohe Batterielebensdauer zu gewährleisten kann sich der multifunktionale Sensor 1 die meiste Zeit in einem Ruhemodus befinden, in dem nahezu keine Energie verbraucht wird. Während dieser Zeit werden die Signale (Spannungen) des piezokeramischen Ringteils 16 und/oder der weiteren Elektroden 31, 32 an dem Triggerport 45 überwacht, um ein Druckstoß-Ereignis in dem Prozess 22 und/oder eine Kontaktierung der Elektroden 31, 32 durch das Prozessfluid 25 zu detektieren. Ein praktisches Beispiel hierfür ist das Erkennen unerlaubter Einleitungen in überwiegend trockene Kanäle durch Druckanstieg oder überwiegend gefüllte Kanäle durch Leitfähigkeitsänderung oder einer Kombination aus beidem.
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Während der Überwachung des Prozesses 22 auf Ereignisse arbeitet die Echtzeituhr 47, um einem eintretenden Ereignis ein eindeutiges Datum zuweisen zu können. Ferner kann in regelmäßigen Zeitabständen, z. B. alle 10 Sekunden, von dem Funkmodul 30 ein Bluetooth Low Energy Advertising durchgeführt werden. Sobald ein Ereignis detektiert wird, wird der multifunktionale Sensor 1 über den Triggereingang 46 des Mikrocontrollers 35 aus dem Ruhemodus in einen Messmodus versetzt. Während eines vorgegebenen Zeitintervalls können dann Daten der an den Messports 40, 41, 42, 43, 44 angeschlossenen unterschiedlichen Einzelsensoren aufgenommen und in dem RAM-Speicher 38 gespeichert werden. Der Beginn der Datenaufnahme erhält einen Zeitstempel durch die Echtzeituhr 47. Nach einem Mess- bzw. Aufnahmezyklus werden die Rohdaten aus dem RAM-Speicher 38 in den Flash-Speicher 39 kopiert. Danach kann der multifunktionale Sensor 1 wieder in den Ruhemodus übergehen.
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In dem Flash-Speicher 39 können die Datensätze aus mehreren Messungen gespeichert werden, um z. B. bei Bedarf oder auf Anforderung über die Funkschnittstelle des Funkmoduls 30 auf das mobile Kommunikationsendgerät 36 oder mittels eines Gateways in eine Cloud übertragen werden. Dort können dann die Rohdaten ausgewertet bzw. weiterverarbeitet werden. Grundsätzlich ist aber die Auswertung oder Weiterverarbeitung auch durch den Mikrocontroller 30 möglich, was aber mit einem höheren Energieverbrauch des multifunktionalen Sensors 1 verbunden ist. Bei geschickter Datenvorverarbeitung und oder Datenkompression lassen sich kürzere Übertragungszeiten erzielen, was sich wiederum vorteilhaft auf den Energieverbrauch auswirkt.
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Je nach Art des detektierten Ereignisses können unterschiedliche Messungen aktiviert werden. So kann bei einer Kontaktierung der weiteren Elektroden 31, 32 durch das Prozessfluid 25 eine magnetisch-induktive Durchflussmessung des Prozessfluids 25 über das Elektrodenpaar 23, 24 ausgelöst werden. Voraussetzung hierbei ist, dass der multifunktionale Sensor 1 derart in der Prozessanlage verbaut ist, dass das Elektrodenpaar 23, 24 weitgehend senkrecht zur Strömungsrichtung des Prozessfluids 25 ausgerichtet ist. Mit dem senkrecht zu dem Messelektrodenpaar 23, 24 und damit parallel zur Strömungsrichtung des Prozessfluids 25 ausgerichteten weiteren Elektrodenpaar 31, 32 können von Störspannungen aufgenommen werden, die von der Messspannung des Messelektrodenpaars 23, 24 subtrahiert werden. Es ist auch möglich, an jedem der beiden Elektrodenpaare 23, 24 und 31, 32 jeweils eine Messspannung zu erfassen und anhand der beiden orthogonalen Messspannungen einen Richtungsvektor für die Strömungsrichtung des Prozessfluids 25 zu ermitteln. Um ein besseres Signalrauschverhältnis zu erhalten, kann die Spannungsmessung in einem Chopper-Verfahren abwechselnd an dem Elektrodenpaar 31, 32 in Durchflussrichtung und quer zur Durchflussrichtung durchgeführt werden.
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Anstelle der magnetisch-induktiven Durchflussmessung oder mit ihr abwechselnd kann zwischen den Elektroden 23, 24, 31, 32 eine Impedanz- oder Leitfähigkeitsmessung erfolgen, um Eigenschaften des Prozessfluids, beispielsweise auf dem Wege der Impedanzspektroskopie, zu bestimmen.
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Bei Detektion eines Druckstoß-Ereignisses durch das piezokeramische Ringteil 16 kann beispielsweise eine nachfolgende Druckmessung mittels der Druckmesszelle 4 ausgelöst werden.
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Das piezokeramische Ringteil 16 ermöglicht ferner eine ultraschallbasierte Füllstandsmessung, bei der durch Anregung des piezokeramisches Ringteils 16 ein Schallimpuls über die Messmembran 6 in den Prozess 22 gesandt und ein Echo von einer reflektierenden Fläche empfangen und seine Laufzeit ausgewertet wird. Schließlich können mit dem piezokeramische Ringteil 16 dynamische Druckverläufe wie Druckschwankungen oder Vibrationen aufgenommen werden. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung des multifunktionalen Sensors 1 zur Wirbeldurchflussmessung, wobei stromaufwärts in dem Prozessfluid 25 ein umströmter Körper angeordnet ist, hinter dem sich gegenläufige Wirbel bilden und die von ihnen induzierten in dem Prozessfluid 25 Druckschwankungen gemessen werden. Bei dem umströmten Körper kann es sich ggf. um ein Ventil handeln, dass in einer Rohrleitung stromaufwärts zu dem multifunktionalen Sensor 1 liegt.
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Mittels der Temperatursensoren 9 können neben der Messung der Temperatur des Prozessfluids 25 auch dessen Wärmeleitfähigkeit oder der Durchfluss gemessen werden. Dazu wird z. B. der mittlere der drei Temperatursensoren 9 als Heizelement betrieben und mittels der beiden anderen Temperatursensoren 9 der Wärmeabfluss oder -transport über das Prozessfluid 25 gemessen.
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Welche Messungen oder Kombinationen von Messungen zu welchen Zeiten oder nach welchen Ereignissen durchgeführt werden, kann an dem multifunktionalen Sensor 1 im Rahmen der Parametrierung eingestellt werden.
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4 zeigt ein Prozessrohr 49, durch das das Prozessfluid 25 fließt. Der multifunktionale Sensor 1 ist an dem Prozessrohr 49 montiert und hat über eine Öffnung 50 Zugang zu der Prozess- oder Messumgebung 22 im Inneren des Prozessrohres 49, um dort den Druck und den Durchfluss des Prozessfluids 25 zu messen bzw. zu überwachen. Das Prozessanschlussgehäuse 2 des Sensors 1 kann z. B. in die Öffnung 50 eingeschraubt sein.
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Der erfindungsgemäße multifunktonale Sensor 1 kann ohne Weiteres um weitere Einzelsensoren wie z. B. einen in dem Prozessanschlussgehäuse 2 angeordneten Vibrations- oder Beschleunigungssensor oder einen im Bereich der Öffnung 3 des Prozessanschlussgehäuses 2 angeordneten optischen Sensor zur Füllstands- oder Trübungsmessung des Prozessfluids 25 ergänzt werden. Diese weiteren Einzelsensoren können dann in gleicher Weise wie die anderen Einzelsensoren, beispielsweise die Temperatursensoren 9, über Messports an dem Mikrocontroller 35 angeschlossen werden.
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Wie bereits erwähnt kann alternativ zu dem Permanentmagnet 18 (1) ein Elektromagnet vorgesehen werden. Dadurch lassen bestimmte die Messfehler wie Alterung oder Temperaturgang verringern bzw. durch Ansteuerung des Elektromagnets kompensieren, was jedoch zu Lasten des Energiebedarfs geht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018209563 B3 [0007]
- DE 3319807 A1 [0008]
- JP 2005180962 A [0008]
- US 7055396 B1 [0008]
- EP 1431716 A1 [0008]