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Die Erfindung betrifft eine Armatur zur Aufnahme eines Sensors, der zur Messung zumindest einer Messgröße eines Mediums in einem Behältnis ausgestaltet ist.
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Armaturen, beispielsweise Wechselarmaturen sind in der Analysemesstechnik und Prozessautomatisierung 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 (Messung) und einer Servicestellung (Wartung, Kalibrierung, Spülen, Sondentausch etc.) verfahren. Diese Vorgänge verlaufen innerhalb eines bestimmten Zeittakts, abhängig von der Drift des Messwertes oder der Verschmutzung des Messelements. Die Sensoren dienen zur Messung einer oder mehrerer physikalischer und/oder chemischer Prozessgrößen.
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Wechselarmaturen werden von der Firmengruppe Endress+Hauser in großer Variantenvielfalt angeboten und vertrieben, beispielsweise unter der Bezeichnung „Cleanfit CPA871“. Informationen über diese finden sich auf der Homepage der Anmelderin, beispielsweise zum Anmeldetag unter:
https://www.endress.com/cpa871
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In einer solchen Wechselarmatur wird eine Sensoraufnahme mit einem Sensor linear entlang der Hauptachse der Armatur in einen Prozess, also in das Medium, bewegt. Durch die Bewegung erfolgt der Übergang von Servicestellung (Sensor ist vom Prozess isoliert, beispielsweise für eine Reinigung oder Kalibrierung) in eine Messstellung (Sensor ist im Prozess). Die Abdichtung zur Umgebung bzw. zum Prozess erfolgt in der Servicestellung beispielsweise durch einen Zapfen mit Polymer-Dichtungen. Dieser Bereich wird durch die oben beschriebene lineare Bewegung von Service- in Messstellung bzw. umgekehrt überfahren, was zu starker Beanspruchung und Abnutzungserscheinungen führt. Lange Verfahrwege bedingen lange Sensoraufnahmen. Hier besteht die Gefahr durch Anhaftungen am Rohr, welche das Dichtsystem, insbesondere bei Polymeren stark belasten können. Die Dichtungen müssen somit häufig ausgetauscht werden. Prozessbedingt wird der Sensor durch die Bewegung zusätzlich belastet. Anhaftungen durch anbackende und oder auskristallisierende Medien erhöhen zudem die Gefahr des Glasbruches bei Nutzung von pH-Glas-Sensoren beim Ein- und Ausbau des Sensors.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mechanische Belastungen durch das Verfahren auf den Sensor und die Armatur zu minimieren, und gleichzeitig aber hohe Eintauchtiefen zu erzielen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Armatur zur Aufnahme eines Sensors, der zur Messung zumindest einer Messgröße eines Mediums in einem Behältnis ausgestaltet ist, umfassend ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse, das zur Anbindung der Armatur an das Behältnis ausgestaltet ist, und zumindest abschnittsweise im Behältnis angeordnet ist; wobei das Gehäuse eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung umfasst, durch die Medium ein- bzw. ausströmt; eine Servicekammer, die im Innenraum in einem Bereich des Gehäuses zwischen der ersten und zweiten Öffnung gebildet ist; ein drehbewegliches Schließelement im Gehäuse, das in einer ersten Position einen Durchfluss durch die Servicekammer von der ersten zur zweiten Öffnung freigibt und in einer zweiten Position einen Durchfluss durch die Servicekammer sperrt; eine Sensoraufnahme; und den Sensor mit einem sensitiven Element, der an oder in der Sensoraufnahme angeordnet ist, wobei die Sensoraufnahme so ausgestaltet ist, dass das sensitive Element in Mess-/Servicestellung in der Servicekammer angeordnet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Schließelement als Kugel oder Küken ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoraufnahme ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde umfasst, und der Sensor, insbesondere mit einem Außengewinde, darin eingeschraubt ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoraufnahme axial im Gehäuse zumindest zwischen einer Mess-/Servicestellung und einer externen Stellung beweglich ist
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoraufnahme händisch, pneumatisch oder mit einem Motor in die und aus der Mess-/Servicestellung beweglich ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoraufnahme mittels Schnellverschluss, insbesondere eines Bajonettverschlusses, mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoraufnahme der Eintauchtiefe in der Servicekammer entsprechend ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoraufnahme am servicekammerseitigen Endbereich einen Schutzkorb für das sensitive Element des Sensors umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse ein oder mehrere Dichtungen umfasst, welche die Servicekammer von der Umgebung abdichten.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse eine Abstreifdichtung umfasst, mittels derer Medium vom Sensor bei der Bewegung der Sensoraufnahme aus der Mess-/Servicestellung abgestreift wird.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse mindestens zwei Spülanschlüsse zur Servicekammer umfasst, wobei das Schließelement einen Zugang der Spülanschlüsse zur Servicekammer in der ersten Position sperrt und in der zweiten Position freigibt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spülanschlüsse jeweils 90° versetzt zur ersten bzw. zweiten Öffnung angeordnet sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass am Schließelement ein Griff zur Bewegung desselben angeordnet ist.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
- 1 zeigt die beanspruchte Armatur in einer dreidimensionalen Ansicht in der zweiten Position.
- 2 zeigt die beanspruchte Armatur in einer Seitenansicht in der ersten Position.
- 3 zeigt die beanspruchte Armatur in einer Seitenansicht im Querschnitt in der ersten Position.
- 4 zeigt die beanspruchte Armatur aus 3 in der zweiten Position.
- 5 zeigt die beanspruchte Armatur aus 2 im Querschnitt.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. „Oben“, „oberhalb“ und verwandte Begriffe bedeuten im Sinne dieser Erfindung vom Messmedium 14 abgewandt. „Unten“, „unterhalb“ und verwandte Begriffe bedeuten im Sinne dieser Erfindung dem Medium 14 zugewandt.
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Die beanspruchte Armatur in ihrer Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
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Im Folgenden wird die Armatur 1 anhand der Ausführung des Schließelements 3, siehe unten, als Kugelelement erläutert. Die Armatur entspricht einer Art Kugelarmatur. Mit wenigen Modifikationen kann die Idee auch bei der der Ausführung des Schließelements 3 als Kükenelement verwendet werden, also ist die Armatur 1 eine Art Kükenhahn.
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Bei einer Armatur 1 mit einem Kugelelement umfassen diese eine durchbohrte Kugel als Absperrkörper 3 und werden auch als Kugelschieber bezeichnet. Der Absperrkörper 3 wird auch als Schließelement bezeichnet. Charakteristisch für eine solche Armatur ist das vollständige Schließen durch Drehung des Schließelements 3 um 90°. Es erfolgt somit eine rotatorische Bewegung. Diese Armaturen können mit Stellantrieben ausgestattet sein, um das Öffnen und Schließen zu automatisieren. Durch Drehen der Kugel (also des Schließelements 3) um 90° kann somit erreicht werden, dass Medium durch die Armatur 1 fließt oder davon abgehalten wird. Das Schließelement kann auch als gebohrte Walze oder Rundstab ausgestaltet sein.
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Die Armatur 1 umfasst ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 2, das zur Anbindung an ein Behältnis ausgestaltet ist. Das Gehäuse umfasst dazu Anschlussmittel. Das Anschlussmittel kann etwa als Schweiß- oder Flanschverbindung, z.B. aus Edelstahl, ausgeführt werden. Andere Ausgestaltungen sind aber möglich. Im Behältnis befindet sich das zu messende Messmedium 14. Das Behältnis kann etwa ein Behälter, Kessel, Rohr, Rohrleitung o.ä. sein.
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Das Gehäuse umfasst eine erste und zweite Öffnung 9a, 9b, durch die Medium ein- bzw. ausströmen kann. Der Bereich der Armatur 1 zwischen den Öffnungen 9a, 9b, der durch das Gehäuse gebildet wird, wird als Servicekammer 10 bezeichnet. Einen Querschnitt durch die Armatur 1, welche die Öffnungen zeigt, ist in 3 dargestellt. Durch Drehen des Schließelements 3 wird ein Durchfluss durch die Servicekammer 10 freigegeben (erste Position des Schließelements) oder gesperrt (zweite Position des Schließelements).
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Die 1 und 2 zeigen die Armatur 1 in geöffneter bzw. geschlossener Stellung. Einen Querschnitt durch die Armatur 1 zeigen die 3 bzw. 4, in geöffneter Stellung bzw. geschlossener Stellung.
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Die Armatur 1 umfasst das bewegliche Schließelement 3 im Gehäuse 2, das in der ersten Position einen Durchfluss des Mediums durch das Gehäuse 2 freigibt und in der zweiten Position einen Durchfluss des Mediums durch das Gehäuse sperrt. Bei der Ausführung als Kugelhahn ist das Schließelement als durchbohrte Kugel ausgestaltet, bei der Ausführung als Kükenhahn ist das Schließelement ein kegel(stumpf)artiges so genanntes Küken. Die erste Position wird auch als geöffnete Stellung bezeichnet, die zweite Position entsprechend als geschlossene Stellung.
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Weiter umfasst die Armatur 1 eine Sensoraufnahme 4. An oder in der Sensoraufnahme 4 ist ein Sensor 5 angeordnet. Die Sensoraufnahme 4 ist dabei beispielsweise als Schlitten ausgestaltet, dann liegt der Sensor 5 „an“ der Sensoraufnahme 4. Die Sensoraufnahme 4 kann auch als hohlzylinderförmiges Bauteil ausgestaltet sein, dann liegt der Sensor 5 „in“ der Sensoraufnahme 4. In beiden Fällen ist am unteren Ende eine Öffnung für das sensitive Element 5a des Sensors 5.
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Die Sensoraufnahme 4 hat beispielsweise ein Innengewinde, in die ein Sensor 5 mit einem Außengewinde eingeschraubt wird. Im Allgemeinen ist dieser an einem ersten Ende (meist oben) mit der Sensoraufnahme verbunden. Ein Abschnitt der Sensoraufnahme 4 befindet sich im Gehäuse 2, ein Abschnitt außerhalb des Gehäuses 2.
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Die Sensoraufnahme 4 ist In einer Ausgestaltung im Gehäuse beweglich zwischen einer Mess-/Servicestellung und einer externen Stellung. Befindet sich die Sensoraufnahme 4 in der Mess-/Servicestellung, ist der Sensor 1 so angeordnet, dass er sich mit seinem sensitiven Element 5a in der Servicekammer 10 befindet.
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Der Sensor 5 selbst wird somit nicht verschoben, sondern mittels der Sensoraufnahme 4 in der Armatur 1 montiert. Die Sensoraufnahme 4 hat neben der einfachen (De-)Montage des Sensors 5, insbesondere der Aufgabe, die Prozessdichtung 6 (siehe unten) zum Sensor 5 einfacher zu warten. Ferner besteht die Möglichkeit, durch die Sensoraufnahme 4 Sensoren auch bei größeren Eintauchtiefen zu verwenden. Der Sensor ist beispielsweise 120 mm lang. Somit können die kurzen, meist standard-lagerhaltigen günstigeren Sensoren eingebaut werden und es ist trotzdem eine große Eintauchtiefe möglich. Darüber hinaus ermöglicht die Verlängerung der Aufnahme eine Skalierung der Eintauchtiefe. Die Sensoraufnahme 4 kann, inklusive des bereits vormontierten Sensors 5, mittels Schnellverschluss (z.B. Bajonett) in die Armatur 1 montiert werden. Die Aufnahme 4 kann von Hand in die Armatur 1 eingeführt werden. Die Bewegung kann auch mittels pneumatischer Vorrichtung oder einem Motor erfolgen.
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Am Gehäuse 2 angeordnet ist ein Führungskörper 12, der zumindest abschnittsweise in das Gehäuse hineinragt, siehe etwa 4. Der Führungskörper ist durch Verschrauben, Verkleben, Verschweißen oder auf sonstige Weise am Gehäuse festgemacht. Er kann auch integraler Teil des Gehäuses 2 sein.
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Die Sensoraufnahme 4 ist im Gehäuse mittels des Führungskörpers 12 so angeordnet, dass der Sensor 5 mit dem unteren Ende in die Servicekammer 10 hineinragt, der Sensor 5 wird also in der ersten Position des Schließelements 3 vom Medium 14 umspült, und in der zweiten Position des Schließelements 3 vom Medium 14 abgetrennt. Die Sensoraufnahme 4 ist dabei auf die Länge des Sensors angepasst, damit der Sensor 5 mit seinem sensitiven Bereich 5a immer in die Servicekammer 10 hineinragt. Die Sensoraufnahme 4 ist entsprechend der Eintauchtiefe des Sensors 5 in der Servicekammer 10 ausgestaltet. Die Sensoraufnahme 4 umfasst am unteren Endbereich einen Schutzkorb für das sensitive Element 5a des Sensors 5, siehe etwa 5.
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Die Sensoraufnahme 4 wird mittels Schnellverschluss, insbesondere eines Bajonettverschlusses, mit dem Gehäuse 2 bzw. dem Führungskörper 12 verbunden.
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An der Sensoraufnahme 4 sind ein oder mehrere Dichtungen 6 angeordnet, die den Durchflussbereich von der Umgebung abdichten, siehe etwa 5. Als „Umgebung“ ist dabei alles außerhalb des Behältnisses und außerhalb der Armatur zu verstehen. Auch umfasst das Schließelement 3 eine Dichtung 6a, siehe 5, welche ebenfalls zur Abdichtung gegenüber der Umgebung dient. Die Dichtung 6a ist als Dichtsitz ausgestaltet und hat beispielsweise eine (hohl-) kugelförmige Gestalt oder besteht aus zwei Halbschalen.
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In das das Gehäuse 2 eingelassen ist eine Abstreifdichtung, mittels derer Medium 14 vom Sensor 5 bei der Bewegung der Sensoraufnahme 4 aus der Mess-/Servicestellung abgestreift wird.
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Ein Griff 8 ist am Schließelement 3 angebracht. Dadurch kann das Schließelement 3 leicht gedreht werden. Das Schließelement 3 kann auch pneumatisch oder elektrisch betrieben werden, beispielsweise mit einem Schwenkantrieb.
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Zum Spülen des Sensors 5 in geschlossener Stellung sind zumindest zwei Spülanschlüsse 7 am Gehäuse 2 angebracht mit Bohrungen bis zur Servicekammer 10. In der geöffneten Stellung ist die Armatur zum Medium 14 geöffnet und der Sensor 5 wird umströmt; dies ist die die erste Position. In der geschlossenen Stellung ist die Armatur 1 zum Spülanschluss 7 geöffnet. Das Medium fließt also nicht durch die Armatur, also durch die Öffnungen 9a und 9b, sondern das Medium 14 ist abgesperrt. Die Spülanschlüsse 7 sind entsprechend freigegeben und die Servicekammer 10 kann durch diese gespült werden. Ebenso kann ein Spülen, Kalibrieren, Justieren etc. des Sensors 5 erfolgen. Durch den einen Anschluss 7 kann dabei Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- und/oder Sterilisationsmedium in die Servicekammer 10 eingelassen werden. Das Spül-/Reinigungs-/Kalibrierungs- und/oder Sterilisationsmedium kann dabei flüssig oder gasförmig sein. Durch den entsprechend anderen Anschluss 7 kann die Flüssigkeit wieder ablaufen Die Spülanschlüsse 7 ermöglichen auch ein komfortables Entfernen von Restmedium aus der Armatur 1, genauer aus der Servicekammer 10.
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Der Sensor 5 im Sinne dieser Erfindung umfasst Sensoren zur Messung einer oder mehrerer physikalischer oder chemischer Prozessgrößen. Der Sensor 5 umfasst einen sensitiven Beriech 5a, beispielsweise zur Messung von pH-Wert, auch über einen ISFET, Redoxpotential, Absorption von elektromagnetischen Wellen im Medium 14, beispielsweise mit Wellenlängen im UV-, IR-, und/oder sichtbaren Bereich, Sauerstoff, Leitfähigkeit, Trübung, Konzentration von metallischen und/oder nicht-metallischen Werkstoffen oder Temperatur. Der Sensor 5 ist mit einem Kabel 16 verbunden (symbolisch dargestellt in 5). Das Kabel 16 wiederum ist mit einem nicht dargestellten Transmitter verbunden. Der Sensor 5 ist als beispielsweise als digitaler Sensor mit Mikrocontroller und Speicher ausgestaltet, insbesondere ist der Sensor 5 ein induktiver Sensor, insbesondere unterstützt der Sensor 5 Plug & Play zu dem daran angeschlossenen Transmitter. Die Anmelderin verkauft derartige Sensoren unter der Bezeichnung „Memosens“. Der Sensor 5 hat beispielsweise einen Durchmesser von 12 mm.
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Die Sensoraufnahme 4 kann aus verschieden Materialien hergestellt sein, beispielsweise Stahl bzw. Edelstahl. Ebenso möglich, beispielsweise in der chemischen Industrie, sind sehr widerstandfähige Materialien. Die Sensoraufnahme 4 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. Ebenso kann eine Keramik verwendet werden. Insbesondere ist das Schließelement aus einer Keramik. Eine weitere Möglichkeit bietet die Verwendung von ein oder mehreren Beschichtungen der genannten Polymere. Das gleiche gilt für das Gehäuse 2 oder den Führungskörper 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Armatur
- 2
- Gehäuse
- 3
- Schließelement
- 4
- Sensoraufnahme
- 5
- Sensor
- 5a
- sensitiver Bereich
- 6
- Dichtung
- 6a
- Kugeldichtung
- 7
- Spülanschluss
- 8
- Griff
- 9a, b
- Öffnung
- 10
- Servicekammer
- 11
- Abstreifer
- 12
- Führungskörper für 4
- 13
- Antrieb
- 14
- Medium
- 15
- Schutzkorb
- 16
- Kabel
