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Die Erfindung betrifft eine Wechselarmatur für Eintauch-, Durchfluss- und Anbau-Messsysteme in der analytischen Prozesstechnik zur Messung zumindest einer Messgröße eines Mediums in einem Behältnis.
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Wechselarmaturen sind in 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 (für die Messung) und einer Servicestellung (für z.B. die Wartung) verfahren. Diese Vorgänge verlaufen innerhalb eines bestimmten Zeittakts, in Abhängigkeit von sonstigen bestimmbaren oder gemessenen Parametern oder auf Abruf.
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Sensoren im Sinne dieser Erfindung umfassen Sensoren zur Messung einer oder mehrerer physikalischer oder chemischer Prozessgrößen.
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Wechselarmaturen werden von der Firmengruppe Endress+Hauser angeboten und vertrieben, beispielsweise unter der Bezeichnung „Cleanfit CPA875“.
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Der Einsatzbereich von Wechselarmaturen zur Messung physikalischer oder chemischer Prozessgrößen eines Mediums 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.
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In der Servicestellung kann der Sensor überprüft, kalibriert, gereinigt, sterilisiert und/oder ausgetauscht werden, wobei sich der Sensor dabei in einer im Gehäuse der Wechselarmatur angeordneten Servicekammer befindet. Für die genannten Vorgänge, also Wartung, Kalibrierung, Spülen, Sterilisation, Sensortausch etc. befindet sich zumindest ein Einlass am Gehäuse in die Servicekammer zum Einbringen von entsprechendem Medium, also beispielsweise Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- oder Sterilisationsmedium, in die Servicekammer.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich auf dem Tauchrohr eine Dichtung zur Abdichtung von Servicekammer zu Antrieb befindet. Dies führt dazu, dass sich das Volumen der Servicekammer beim Verfahren des Sensors von Servicestellung in Prozessstellung ändert. Es kann passieren, dass sich hierbei bei geschlossenem Einlass ein so hoher Druck aufbaut, dass die Armatur nicht bis zum eigentlichen Ende, also bis in die Prozessstellung, verfährt bzw. Dichtungen so stark beansprucht werden, dass diese zerstört werden.
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Bei der bereits erwähnten CPA875 wird sich aufbauender Druck dadurch kompensiert, dass eine Ventilsteuerung verwendet wird, die den Einlass zusätzlich als Auslass zur Verfügung stellt. Diese Ventilsteuerung wird mit dem Verfahren der Armatur in Service- bzw. Prozessstellung gekoppelt. Eine solche Ventilsteuerung ist allerdings aufwändig.
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Weiterhin ist zu beachten, dass dies häufig unter sterilen Bedingungen zu erfolgen hat, was zu aufwendigen Systemen führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselarmatur bereit zu stellen, die ein Verfahren des Tauchrohrs bis in die Prozessstellung auch bei geschlossenem Zulauf gewährleistet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs. Die Wechselarmatur ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass zumindest ein Dehnelement umfasst, wobei das Dehnelement zur Aufnahme von aus der Servicekammer durch Bewegung des Tauchrohrs von Servicestellung in Prozessstellung verdrängtem Fluid, insbesondere Luft, ausgestaltet ist. Durch das Dehnelement kann Fluid aus der Servicekammer beim Verfahren des Tauchrohrs aufgenommen werden, was dazu führt, dass das Tauchrohr bis in die Endposition, also bis in Prozessstellung fahren kann.
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Bevorzugt ist das Dehnelement so dehnbar, dass es bei Bewegung des Tauchrohrs von Servicestellung in Prozessstellung zumindest das Volumen der Servicekammer aufnimmt. Damit kann das komplette Volumen der Servicekammer aufgenommen werden, was ein vollständiges Verfahren bis in die Prozessstellung sicherstellt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Dehnelement so ausgestaltet, dass es sterilisierbar ist. Dadurch eignet sich die Wechselarmatur auch für hygienische Anwendungen. Um das Dehnelement sterilisierbar zu machen muss es idealerweise durchgängig aus einem Stück sein und aus einem Material, welches Temperaturen bis über 150°C aushalten kann, gefertigt sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Dehnelement um einen Schlauch. Ein Schlauch ist ein gängiges Werkstück und kann relativ kostengünstig hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Schlauch um einen Schlauch aus einem dehnbaren Material, insbesondere um einen Silikonschlauch. Dadurch kann das Fluid aus der Servicekammer aufgenommen werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Einlass ein Starrelement, insbesondere einen Edelstahlschlauch, wobei das Dehnelement im Starrelement angeordnet ist. Dies führt zu einer ausreichenden mechanischen Stabilität. Des Weiteren ist eine Anbindung an eine feste weiterführende Schlauchverbindung oder an eine (Edelstahl-)Verrohrung möglich. Kommt es zu Überdruck, etwa wegen einer Fehlbedienung, kann ein Starrelement ein Platzen des Dehnelements verhindern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an einer von der Servicekammer abgewandten Seite des Dehnelements ein Ventil, insbesondere ein Membranventil, angeordnet. Dabei ist das das Dehnelement so dehnbar, dass das Ventil einem durch die Bewegung des Tauchrohrs von Servicestellung in Prozessstellung aufgebrachten Druck, insbesondere etwa 4–8 bar, Stand hält. Durch das Ventil kann die Servicekammer geöffnet und geschlossen werden.
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Insgesamt betrachtet wirkt das Dehnelement als ein Kompensator. Bei Überdruck durch Verfahren des Tauchrohrs muss der Druck so klein bleiben, dass das Ventil nicht überlastet wird. Wird die Wechselarmatur bzw. das Tauchrohr über eine pneumatische Antriebsvorrichtung (siehe unten) verfahren, hält der Druck in der Antriebsvorrichtung, insbesondere im zugehörigen Druckzylinder der Wechselarmatur, das Tauchrohr in Prozessstellung, beispielsweise auch bei einem Prozessdruck von 16 bar.
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Beim Zurückfahren von Prozessstellung in Servicestellung muss das Volumen der Servicekammer durch das Dehnelement geliefert werden, welches dann gegebenenfalls komplett leer ist. Das Innenvolumen des Dehnelements ist also mindestens so groß wie das Volumen der Servicekammer.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Servicekammer zumindest einen Auslass für ein Fluid, insbesondere Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- und/oder Sterilisationsmedium und/oder ein Gas, insbesondere Luft, wobei der Auslass am mediumsentfernten Endbereich des Gehäuses angeordnet ist, wobei die zumindest eine Dichtung mediumsentfernter angeordnet ist als der Auslass.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei der Antriebsvorrichtung um eine pneumatische Antriebsvorrichtung, und Versorgungsenergie, insbesondere Druckluft, bewirkt die Bewegung von Servicestellung in Prozessstellung und umgekehrt.
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Alternativ handelt es sich bei der Antriebsvorrichtung um eine manuelle Antriebsvorrichtung, und ein Handantrieb, insbesondere ein manueller Spindelantrieb, bewirkt die Bewegung von Servicestellung in Prozessstellung und umgekehrt.
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Bevorzugt umfasst das Gehäuse eine Spülkammer, die im Gehäuse mediumsnäher als die Servicekammer angeordnet ist. Somit hat die Wechselarmatur eine weitere Kammer. Die mediumsentferntere Kammer ist somit noch besser gegenüber dem Medium geschützt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die zumindest eine Dichtung am Tauchrohr am mediumsentfernten Anfangsbereich zumindest zwei Dichtungen, wobei die zwei Dichtungen am Tauchrohr so angeordnet sind, dass sich in Servicestellung des Tauchrohrs eine Dichtung mediumsentfernter als der Auslass und eine Dichtung auf Höhe des Auslasses oder mediumsnäher als der Auslass befindet. Dies gewährleistet eine optimale Dichtung und bietet aber gleichzeitig die Möglichkeit der Sterilisation zumindest der mediumsnäheren Dichtung.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Wechselarmatur in einer perspektivischen Ansicht in Prozessstellung,
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2 eine erfindungsgemäße Wechselarmatur im Querschnitt in Servicestellung,
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3a/b ein leeres (2a) bzw. mit Fluid aus der Servicekammer gefülltes (2b) Dehnelement, und
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4 eine erfindungsgemäße Wechselarmatur in einer Ausgestaltung im Querschnitt.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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„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.
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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 15 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 15 kann etwa ein Behälter, Kessel, Rohr, Rohrleitung o.ä. sein.
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1 zeigt die Wechselarmatur 1 in der Prozessstellung. Dies wird im Folgenden näher erläutert. 2 zeigt die Wechselarmatur 1 in Servicestellung.
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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.
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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 sehr 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.
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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 (in 2 dargestellt) und der aus dem Gehäuse 2 ausgefahrenen Prozessstellung (in 1 dargestellt) verfahrbar. In der Prozessstellung findet die Messung statt. Über eine käfigartige Öffnung im Tauchrohr 3 hat die Sonde bzw. der Sensor 16 Zugang zum zu messenden Medium 7. 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 die Servicekammer 11, 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.
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Die Verschiebung des Tauchrohrs 3 wird durch eine Antriebsvorrichtung 18 durchgeführt, die sich oberhalb der Servicekammer 11 befindet. Im Wesentlichen gibt es zwei verschiedene Ausgestaltungen für die Antriebsvorrichtung 18. 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.
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Bei einem manuellen Spindelantrieb wird, ausgehend von der Servicestellung, durch Drehen einer Spindelmutter im Uhrzeigersinn das Tauchrohr 3 in die Prozessstellung verfahren. Auch der Handantrieb kann nur mit montiertem Sensor 16 in die Prozessstellung verfahren werden. Ohne eingeschraubten Sensor blockiert der Antrieb. 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. In einer besonderen Ausprägung handelt es sich um ein selbsthemmendes, mehrgängiges Gewinde, insbesondere um ein Trapezgewinde. 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.
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Ist das Tauchrohr 3 in Servicestellung, befindet sich ein Teilbereich des Tauchrohrs 3, insbesondere der Sensor 16, im Gehäuseinnenraum, wie erwähnt in der Servicekammer 11 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 11 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 10 verwendet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist die Mediumsdichtung 10 am Gehäuse 2 angeordnet. Alternativ kann die Mediumgsdichtung 10 am unteren Endbereich des Tauchrohrs 3 angeordnet sein (nicht abgebildet).
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Am oberen Bereich des Tauchrohrs 3 ist zumindest eine Dichtung 17, im Beispiel zwei Dichtungen 17, 23 angeordnet. Die Dichtung 17, 23 dichtet die Servicekammer 11, besonders bei Bewegung von Servicestellung in Prozessstellung und umgekehrt, gegenüber der Antriebsvorrichtung 18 ab. In Servicestellung ist die obere Dichtung 17 oberhalb des Auslasses 22 angeordnet und die untere Dichtung 23 ist auf gleicher Höhe oder unterhalb des Auslasses 22 angeordnet.
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Durch die Dichtung 17, 23 verringert sich das Volumen der Servicekammer 11 bei der Bewegung von Service- in Prozessstellung. Damit das Tauchrohr 3 vollständig in Prozessstellung fahren kann und damit die Mediumsdichtung 10 nicht übermäßig beansprucht wird, befindet sich ein Dehnelement 19 im Einlass 7. Dieses ist in 3 näher dargestellt.
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Das Dehnelement 19 ist zur Aufnahme von aus der Servicekammer 11 durch Bewegung des Tauchrohrs von Servicestellung in Prozessstellung verdrängtem Fluid ausgestaltet ist. Bei dem Fluid handelt es sich überwiegend um Luft, also einem Gas. Rückstände oder größere Mengen von Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- und/oder Sterilisationsmedium können aber ebenfalls noch in der Servicekammer 11 sein und durch die Bewegung verdrängt werden. In einer Variante kann das Dehnelement also zumindest das Volumen der Servicekammer 11 aufnehmen. Ist (überwiegend) Luft in der Servicekammer ist die Volumenaufnahme durch das Dehnelement 19 nicht nötig, da Gase kompressibel sind.
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An der Servicekammer 11 abgewandten Seite des Dehnelements 19 ist ein Ventil 21, beispielsweise ein Membranventil, angeordnet. Das Dehnelement 19 ist so dehnbar, dass das Ventil 21 einem durch die Bewegung des Tauchrohrs von Servicestellung in Prozessstellung aufgebrachten Druck, also etwa 4–8 bar, Stand hält.
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Bei dem Dehnelement 19 handelt es sich etwa um einen Schlauch, beispielsweise ein Silikonschlauch.
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Das Dehnelement 19 ist so ausgestaltet, dass es sterilisierbar ist. Um das Dehnelement sterilisierbar zu machen muss es idealerweise durchgängig aus einem Stück sein und aus einem Material, welches Temperaturen bis über 150°C aushalten kann, gefertigt sein. Das Dehnelement 19 ist so ausgestaltet, dass komplett entleert und gereinigt werden kann.
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In einer Ausgestaltung ist das Dehnelement 19 in einem Starrelement 20 eingebettet. Das Starrelement 20 ist beispielsweise ein Edelstahlschlauch.
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In einer Ausgestaltung befindet sich in 4 im Gehäuse 2 unterhalb der Servicekammer 11, also zwischen der Servicekammer 11 und dem Behältnis eine weitere Kammer, die so genannte Spülkammer 12. Gerade bei hygienischen Anwendungen kann diese Kammer 12 als zusätzliche Barriere zwischen Medium und Servicekammer 11 genutzt werden. Zusammen mit der Servicekammer 11 stehen nun zwei verschiedene Kammern zur Verfügung um Arbeiten am Sensor durchzuführen. Ein Beispiel hierfür ist die Sterilisation oder Kalibration des Sensors in der Servicekammer 11. Es können weitere Spülanschlüsse 7 bzw. 22 vorhanden sein.
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Im Verlauf einer Messung ergibt sich dann folgender Ablauf:
- • Armatur 1 ist in Serviceposition, Einlass 7 ist entspannt bzw. es wird durch den Einlass 7 gespült
- • Armatur 1 verfährt in Prozessstellung, das Fluid in der Servicekammer 11 (beispielsweise Luft) wird in den Einlass 7 (zwangs-)geführt, das Dehnelement 9 des Einlasses 7 wird gedehnt und steht unter Druck
- • Armatur 1 verfährt aus Prozessstellung in Servicestellung, der Einlass 7 entspannt sich
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Sollte das Ventil 21 aus irgendwelchen Gründen den Druck nicht stabil halten können und der Druck fällt ab, ist das Volumen des Dehnelements 19 so gewählt, dass das Volumen der Servicekammer 11 nachgeliefert werden.
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Insgesamt führt dieses Verfahren dazu, dass ohne Ventilschaltung die Armatur 1 mit ihrem Einlass 7 hermetisch geschlossen und damit steril bleibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselarmatur
- 2
- Gehäuse
- 3
- Tauchrohr
- 4
- Anschluss Versorgungsenergie
- 5
- Anschluss Versorgungsenergie
- 6
- Abdeckhaube
- 7
- Einlass
- 8
- Öffnung in 3
- 9
- Verschlusselement
- 10
- Mediumsdichtung
- 11
- Servicekammer
- 12
- Spülkammer
- 13
- Anschlussmittel
- 14
- Medium
- 15
- Behältnis
- 16
- Sensor
- 17
- Dichtung
- 18
- Antriebsvorrichtung
- 19
- Dehnelement
- 20
- Starrelement
- 21
- Ventil
- 22
- Auslass
- 23
- Dichtung
- L
- Längsachse von 1
