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Dokumentenidentifikation DE4125228A1 04.02.1993
Titel Vorrichtung und Verfahren zur In-line-Probenahme
Anmelder Brunke, Franz, 2212 Brunsbüttel, DE
Vertreter Weber, O., Dipl.-Phys.; Heim, H., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 30.07.1991
DE-Aktenzeichen 4125228
Offenlegungstag 04.02.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.02.1993
IPC-Hauptklasse G01N 1/02
IPC additional class // G01N 21/00,G01K 13/12  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-line-Probennahme für Prozeßanalysatoren, bei der mittels einer Sonde Materialeigenschaften eines strömenden Fluids gemessen werden. Eine sehr präzise Analyse des Fluids ist mit relativ geringem Aufwand möglich, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zumindest in dem eine Sensoröffnung enthaltenden Teil eines Durchflußrohres durch Verengung des Strömungsquerschnitts und/oder durch Umleitung des Fluidstroms zur Reinigung der Optik der Sensoröffnung erhöht wird und wenn anschließend die Strömungsgeschwindigkeit für die Durchführung der Messung in diesem Teil verringert wird. Hierfür wird in dem Durchflußrohr ein Leit- oder Sperrelement angeordnet, durch das der Fluidstrom in dem Durchflußrohr beeinflußbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur In-line-Probenahme gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 16.

Für die Meßwerterfassung insbesondere von physikalischen Größen eines Fluids werden in zunehmendem Maße Prozeßanalysatoren eingesetzt, die eine Analyse eines Fluids im In- line-Verfahren durchführen. Die Verwertbarkeit der Ergebnisse dieser In-line-Analysatoren z. B. für die Prozeßsteuerung hängt in entscheidendem Maße von der Qualität der Probenahme ab.

In der Regel erfolgt die Probenahme aus einem Bypass zur Produktleitung, was mit folgenden Nachteilen verbunden ist. Die Probe ist zum einen nicht repräsentativ, da sie nicht isokinetisch aus dem Strömungskern gezogen wurde. Zum anderen enthält eine Bypass-Leitung in der Regel unerwünschte Toträume, die durch Verunreinigungen und andere Schmutzpartikel leicht verstopfen und schwer zu reinigen sind. Weiterhin können sich in der Bypass-Leitung Gasblasen kumulieren, die ebenfalls zu einer Verfälschung der Meßwerte führen.

Die heutzutage zur Verfügung stehenden Methoden zur In-line- Analytik, z. B. über Faseroptik, bereiten indes gerade am Punkt der Probenahme große Probleme. So verfälschen bereits geringe Verunreinigungen und Schlieren auf der Optik die Meßergebnisse. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten zur Lösung des obigen Problems erzielen zwar einen Reinigungseffekt, verfälschen jedoch ebenfalls das Meßergebnis.

Summarisch gesehen sind daher nach dem bisherigen Stand der Technik aufwendige Armaturen sowie ein größerer Aufwand an Meß- und Regeltechnik notwendig, um eine reproduzierbare exakte Probenahme zu ermöglichen. Weiterhin ist ein erhöhter Wartungsaufwand notwendig, um eine brauchbare Verfügbarkeit des Analysensystems zu gewährleisten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die eine exakte reproduzierbare Probenahme für In-line-Prozeßanalysatoren ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung und einem Verfahren der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die Probenahme in zwei zeitlich aufeinanderfolgende Prozeßschritte unterteilt. Im ersten Prozeßschritt wird die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Sensoröffnung im Durchflußrohr erhöht. Hierdurch wird die Optik der Sensoröffnung von Schlieren und anderen Verschmutzungen gereinigt. Zur Erhöhung wird ein Leit- oder ein Sperrelement in dem Durchflußstrom so betätigt, daß ein größerer Teil des Fluidstroms in Richtung auf die Sensor- Öffnung umgelenkt wird. Das Leit- oder Sperrelement kann als Klappe, Blende oder Schieber ausgebildet sein, wobei die strömungswirksamen Führungsflächen relativ zur Strömungsrichtung geneigt sind, wenn nicht sogar quer stehen.

Das Leit- oder Sperrelement kann in der Art eines Drehschiebers ausgebildet sein, der um eine Achse parallel zur Strömungsrichtung drehbar ist. Weiterhin sind blendenartige Leit- oder Sperrelemente denkbar, die den Hauptstrom in Richtung auf die Sensoröffnung absperren, so daß das Fluid im Bereich der Sensoröffnung mit erhöhter Geschwindigkeit strömt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Leit- oder Sperrelement als Klappe ausgebildet, die um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Drehachse drehbar ist. Diese Klappe kann dann so ausgebildet sein, daß sie in einer ersten Stellung geneigt oder senkrecht zur Strömungsrichtung steht und einen Hauptteil des Flußes an der Sensoröffnung vorbeileitet und einer zweiten Stellung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung liegt oder aber den Bereich der Sensoröffnung abdeckt, damit dort eine geringe Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. In diesem Bereich bildet sich dann eine Grenzschicht oder Zone mit sehr niedriger Geschwindigkeit aus, in der nahezu ideale Analysenbedingungen herrschen, die exakte Messungen ermöglichen.

Für die Durchführung der Spektroskopie, z. B. im nahen Infrarot (NIR) wird eine Platte parallel zur Wand des Durchlaufrohres unterhalb der Sensoröffnung eingebaut. Diese Platte dient als Reflexionsplatte für die Meßsonde, falls unter Anwendung des Meßprinzips "Totalreflexion" gemessen wird. Diese Platte kann auch mit einem Thermoelement versehen werden, wodurch man Temperaturwerte erhält, die für eine exakte Temperaturkompensation verwendet werden können. Denn die Temperaturmessung erfolgt im Gegensatz zu bekannten Meßverfahren am Ort der Probenahme.

Eine Temperaturmessung kann auch auf der drehbaren Klappe erfolgen, wobei die Thermofühler vorzugsweise gleichmäßig über die Klappe verteilt sind.

Im Bereich der Klappe können auch mehrere Probenahmesonden angeordnet werden, um ein Konzentrationsprofil des Fluids im Durchflußrohr zu erhalten.

Die Beeinträchtigung der Messung durch Gasblasen kann durch den Einbau der Meßsonde und der Reflexionsplatte im unteren Teil des Durchflußrohrs verhindert werden, da sich die Gasblasen nach der Querschnittserweiterung des Durchflußrohres im Bereich der Probenahme in den oberen Teil des Durchflußrohres absetzen werden.

Durch das Anbringen eines Drucksensors im Bereich der Meßsonde oberhalb der Reflexionsplatte kann der Durchfluß überwacht werden. Gemessen wird der Druck in dem Teilstrom zwischen der Wand des Durchflußrohres und der Reflexionsplatte. Wenn die Klappe in ihre erste vertikale Sperrstellung geklappt wird und in dem Teilstrom kein Druckanstieg gemessen wird, so ist ein Rückschluß auf Störungen im Strömungsverlauf möglich.

Durch Vergleichsimpulse zu einer ebenfalls angebrachten Platte kann über eine Korrelation über den Druck die Dichte des strömenden Mediums ermittelt werden.

Für bestimmte Medien und in einigen Anwendungsgebieten ist eine stopfbuchslose Ausführung des Durchflußrohres von großer Bedeutung. Die zur Drehung der Klappe notwendigen Kräfte werden hier durch einen Magneten aufgebracht. Um die Stellkräfte zu verringern, wird der Drehpunkt der Klappe so gewählt, daß er nicht am äußersten Ende der Klappe liegt. Vorzugsweise wird die Klappe durch die Drehachse in zwei Schenkel unterteilt, auf die ein in etwa gleich starkes Drehmoment einwirkt, so daß durch die Fluidströmung im wesentlichen kein Drehmoment auf die Drehachse aufgebracht wird. Zusätzlich wird der zum Hauptstrom weisende Teil der Klappe wie eine Turbinenschaufel ausgeprägt, so daß sich das Drehmoment bei einer Drehung nicht linear verstärkt.

Um die Messung in einem Gebiet mit wenig Verwirbelung und Gasblasen durchführen zu können, empfiehlt es sich, das Leit- oder Sperrelement nach einer Beruhigungsstrecke im erweiterten Teil des Durchflußrohres vorzusehen. Nach dieser Beruhigungsstrecke haben sich die Verwirbelungen des Fluids aufgrund der Durchmesseränderung des Durchflußrohres gelegt und es liegt wieder eine weitgehend lineare homogene Strömung vor.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein erweiteres Durchflußrohr mit einer Sensoröffnung;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Schnitts II-II aus Fig. 1;

Fig. 3 einen teilweise vergrößerten Ausschnitt III-III aus Fig. 1 und

Fig. 4 eine weitere Abbildung gemäß Fig. 2 einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur In-line- Probennahme.

Fig. 1 zeigt eine Produktleitung 10, an die ein erweitertes Durchflußrohr 12 mit einem gegenüber der Produktleitung 10 erweiterten rechteckigen Querschnitt angeflanscht ist. Das erweiterte Durchflußrohr 12 enthält eine Sensoröffnung 14 für den Anschluß einer nicht dargestellten Meßsonde für eine In-line-Analyse des durch die Produktleitung 10 strömenden Fluids.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des vergrößerten Längsschnitts II-II aus Fig. 1. Parallel zur Wand 16 des Durchflußrohres 12 ist unterhalb der Sensoröffnung 14 eine Reflektionsplatte 18 angeordnet, die eine Analyse im Wege der Prozeßspektroskopie über Totalreflektion ermöglicht. Die Reflexionsplatte 18 kann in nicht dargestellter Weise mit Thermofühlern versehen sein, um eine Temperaturkompensation der Meßergebnisse zu ermöglichen, wobei die Temperaturmeßstelle in vorteilhafter Weise am Punkt der Probenahme liegt.

Die Strömungsrichtung in dem Durchflußrohr 12 ist mit A gekennzeichnet. Stromaufwärts der Sensoröffnung 14 ist eine Klappe, insbesondere Stellklappe 20, an einer Drehachse 22 drehbar angeordnet. Die Drehachse 22 ist quer zur Strömungsrichtung A und etwa in der Mitte des Durchflußrohres 12 angeordnet. Die Achse kann sich jedoch auch in dem der Sensoröffnung 14 abgewandten Teil des Durchflußrohres 12 erstrecken. Durch die Stellklappe 20 wird die Fluidströmung in den Bereich zwischen der Wand 16 des Durchflußrohres 12 und der Reflexionsplatte 18 hineingelenkt, wodurch dort die Strömungsgeschwindigkeit stark erhöht wird. Dies wiederum bewirkt eine Reinigung der Optik der Sensoröffnung 14.

Nach dem Reinigungszyklus wird die Stellklappe 20 über die Drehachse 22 in eine zweite Stellung bewegt, in der sie parallel zur Strömungsrichtung A liegt. Dort setzt sie dem Fluidstrom nur sehr wenig Widerstand entgegen, wodurch im gesamten erweiterten Durchflußrohr 12 eine sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit mit wenig Turbulenzen und Gasblasen herrscht. Dies sind ideale Bedingungen für die Durchführung der Analyse.

Um eine Verfälschung der Meßergebnisse durch Gasblasen zu unterbinden, können die Sensoröffnung 14 und die Reflektionsplatte 18 vorzugsweise an der Unterseite des Durchflußrohres 12 angeordnet sein. Letztlich kann dies jedoch dadurch bewirkt werden, daß das Durchflußrohr 12 in einer gewünschten Lage an die Produktleitung 10 angeflanscht wird.

Fig. 3 zeigt die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zur In-line-Probennahme in Strömungsrichtung A. Die seitlichen Enden der Stellklappe 20 sind zu der Wand 16 des Durchflußrohres 12 beabstandet. Um den Strömungsleiteffekt zu erhöhen, kann die Stellklappe auch an die seitlichen Wände des Durchflußrohres angrenzen.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur In-line-Probennahme entsprechend Fig. 2. Identische Teile sind hierbei mit identischen Bezugszeichen versehen.

Auch bei dieser Vorrichtung ist parallel zur Wand 16 unterhalb der Sensoröffnung 14 eine Reflexionsplatte 24 angeordnet. Diese Reflexionsplatte 24 hat einen Anlagebereich 26 für die Stellklappe 28. Die Drehachse 30 der Stellklappe 28 ist im Bereich des mittleren Drittels der Stellklappe 28 angeordnet, wodurch die Stellklappe 28 beidseitig der Drehachse 30 jeweils einen Schenkel 32, 34 aufweist. Der erste Schenkel 32 ist etwas länger ausgebildet und zur Anlage an den Anlagebereich 26 der Reflexionsplatte 24 in der ersten Stellung vorgesehen. In dieser ersten Stellung leiten die Schenkel 32, 34 der Steuerklappe 28 den Hauptstrom großenteils über den Bereich zwischen der Wand 16 des Durchflußrohres 12 und der Reflexionsplatte 24, wodurch wiederum die Optik der Sensoröffnung 14 von Verunreinigungen und Schlieren gereinigt wird. In einer zweiten gestrichelt dargestellten Stellung liegt der längere Schenkel 32 der Steuerklappe 28 an einem Stellmagneten 36 an, wodurch die Strömung vor dem zwischen der Wand 16 des Durchflußrohres 12 der Reflexionsplatte 24 gebildeten Kanal weitgehend unterbrochen wird. Dort herrscht daher in der zweiten Stellung der Stellklappe 28 nur eine sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit, die eine präzise Messung ermöglicht. Der kürzere Schenkel 34 der Stellklappe 28 ist relativ zu dem ersten längeren Schenkel 32 in etwa um 150° geneigt und in der Art einer Turbinenschaufel ausgebildet. Hierdurch wirkt auf beide Schenkel 32, 34 der Stellklappe 28 in etwa ein gleiches durch die Fluidströmung A erzeugtes Drehmoment, was es ermöglicht, den Stellmagneten klein zu dimensionieren. Da bei dieser Ausführungsform die Drehachse 30 nicht durch die Wand 16 des Durchflußrohres 12 hindurchgeführt werden muß, ermöglicht diese Ausführungsform eine stopfbuchslose Fertigung, was für bestimmte Anwendungsbereiche von größerer Bedeutung ist. Durch die stopfbuchslose Ausführung werden Dichtungsmaßnahmen im Bereich der Drehachse 30 und die damit einhergehenden negativen Auswirkungen auf die Fertigung des Durchflußrohres vermieden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur In-line-Probennahme für Prozeßanalysatoren mit einem Durchflußrohr, in dessen Wand mindestens eine Sensoröffnung für eine Meßsonde ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchflußrohr (12) ein Leit- oder Sperrelement (20) angeordnet ist, das eine Fläche aufweist, die zur Beeinflussung des Strömungsverlaufs relativ zur Strömungsrichtung A in dem Durchflußrohr (12) quer ausrichtbar oder neigbar ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leit- oder Sperrelement (20, 28) zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung einstellbar ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel und/oder die Richtung der Neigung des Leit- oder Sperrelements (20, 28) relativ zur Strömungsrichtung A einstellbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchflußrohr (12) eine parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtete Platte (18, 24) zur Unterteilung des Durchflußstroms in einen Hauptund Teilstrom angeordnet ist, daß das Leit- oder Sperrelement (20, 28) in der ersten Stellung zumindest einen Teil des Hauptstroms absperrt bzw. in den Teilstrom umlenkt, und daß die Sensoröffnung in einer den Teilstrom begrenzenden Wand (16) des Durchflußrohres (12) und/oder der Platte, insbesondere Reflexionsplatte (18, 24) ausgebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Leit- oder Sperrelement (28) in einer zweiten Stellung vor dem Teilstrom stromaufwärts angeordnet ist, um dessen Strömungsgeschwindigkeit zu verringern.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (24) einen Anlagebereich (26) für das Leit- oder Sperrelement (28) aufweist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leit- oder Sperrelement als Blende oder Schieber oder Klappe (20, 28) ausgebildet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leit- oder Sperrelement (20, 28) als Stellklappe mit einer quer zur Strömungsrichtung gerichteten Drehachse (22, 30) ausgebildet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Stellklappe (28) an dem Anlagebereich (26) in der ersten Stellung anliegt.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wand (16) des Durchflußrohres (12) ein Magnet (36) angeordnet ist, der einen Anlagebereich für das Leit- oder Sperrelement (28) in der zweiten Stellung bildet.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellklappe (28) einen Hebel mit zwei beidseitig der Drehachse (30) ausgebildeten Schenkeln (32, 34) bildet, die um einen Winkel von 90 bis 180° gegeneinander geneigt sind.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (28) einen längeren Schenkel (32) aufweist, dessen Ende zur Anlage an den Anlagebereich (26) der Platte (24) vorgesehen ist und ein kürzerer Schenkel (34), der schaufelförmig ausgebildet ist.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußrohr (12) im Bereich der Sensoröffnung erweitert ist.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoröffnung (14) im unteren Bereich des Durchflußrohres (12) angeordnet ist.
  15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Teilstrom ein Drucksensor angeordnet ist.
  16. 16. Verfahren zur In-line-Probennahme für Prozeßanalysatoren, bei dem mittels einer Sonde oder Sensors Materialeigenschaften eines strömenden Fluids gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zumindest in dem eine Sensoröffnung enthaltenen Teils eines Durchflußrohres durch Verengung des Strömungsquerschnitts und/oder durch Umleitung des Fluidstroms zur Reinigung des Sensorbereichs, insbesondere der Optik, der Sensoröffnung erhöht wird und daß anschließend die Strömungsgeschwindigkeit für die Durchführung der Analyse in diesem Teil verringert wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom in dem Durchflußrohr in einen Haupt- und Teilstrom unterteilt wird und daß die Strömungsgeschwindigkeit in dem Teilstrom durch die Beeinflussung der Fluidströmung im Hauptstrom variiert wird.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit in dem Teilstrom erfaßt und zur Steuerung eines Leit- oder Sperrelements zur Beeinflussung der Strömung im Durchflußrohr (12) verwendet wird.






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