WO2021023386A1 - Füllstand- oder grenzstandmessgerät und verwendung von gelen in solchen messgeräten - Google Patents

Füllstand- oder grenzstandmessgerät und verwendung von gelen in solchen messgeräten Download PDF

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level
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limit level
hydrogel
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Florian KRÄMER
Patrick HEIZMANN
Stefan Allgaier
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Vega Grieshaber Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a fill level or limit level measuring device and the use of gels in such measuring devices.
  • field devices are often used that are used to record and / or influence process variables.
  • Examples of such field devices are level gauges, limit level gauges and pressure gauges with sensors that detect the corresponding process variables level, limit level or pressure.
  • Such field devices are often connected to higher-level units, for example control systems or control units. These superordinate units are used for process control, process visualization and / or process monitoring.
  • the field devices known from the prior art generally have a housing, a sensor and an electronics unit arranged in the housing.
  • the energy and / or signal transmission between the field device and higher-level units is often based on the known 4 mA to 20 mA standard, in which a 4 mA to 20 mA current loop or a two-wire line is formed between the field device and the higher-level unit.
  • the measuring devices transmit further information to the higher-level unit or receive it from it in accordance with various other protocols, in particular digital protocols. Examples are the FIART protocol or the Profibus-PA protocol.
  • field devices are also supplied with energy via the 4 mA to 20 mA current signal or only the fieldbus and supply via a two-wire line, so that no additional supply line is required in addition to the two-wire line.
  • the field device can also be self-sufficient, for example operated via a battery, a rechargeable battery, a solar cell or some other local energy supply.
  • the field devices typically have a housing, electronics arranged in the housing and, in the case of measuring devices, a sensor with a measuring transducer for detecting or measuring a process variable.
  • the measuring transducer is that part of a measuring device or of the sensor that responds directly to a measured variable, here a process variable to be recorded.
  • Measuring sensors can basically be differentiated into active and passive measuring sensors based on the energy they generate or use. Active sensors generate an electrical signal due to the measuring principle, whereas passive sensors are changed in their physical or chemical properties. This change in properties can be recorded and further processed by secondary electronics.
  • a level or limit level measuring device with the characteristics of claim 1, the use of hydrogels in a measuring device of a level or limit level measuring device.
  • a fill level or limit level measuring device with a housing, measuring electronics arranged in the housing, and a sensor with a measuring transducer for detecting or measuring a process variable, is characterized in that the measuring transducer has a gel.
  • the gel is used directly or indirectly for the measurement.
  • the filling level or limit level measuring device is preferably designed in such a way that the measuring sensor is the gel.
  • the gel is preferably designed as a hydrogel, silicone hydrogel, silicone gel or a mixture thereof.
  • a gel is a disperse system that consists of at least two components, a solid component and a liquid or gaseous component.
  • the solid component forms a sponge-like, three-dimensional network, the pores of which are filled with liquid or gaseous components.
  • the liquid or gaseous component is thereby immobilized in the solid component.
  • gel is used equally for the gel former on which it is based and for the gel formed therewith.
  • a hydrogel is a water-containing but water-insoluble polymer, the molecules of which are linked chemically, by covalent, ionic bonds or physically, by hydrogen bonds, van der Waals forces or looping of the polymer chains to form a three-dimensional network. Due to built-in hydrophilic polymer components they swell in water with a considerable increase in volume, but without losing their material cohesion.
  • hydrogels consist of a network of polymer chains that swell under aqueous conditions. They consist either of physical or chemical cross-links with pockets of an aqueous medium that allow swelling. The hydrogel develops considerable forces during expansion and contraction and can therefore perform mechanical work. The The expansion and contraction of the hydrogels can be repeated as often as desired. The hydrogel returns to its original state when it dries out.
  • the hydrogel can either dry out due to the absence of water or water-containing liquids due to the ambient and / or process temperature, or a heating element can be provided in the sensor in order to bring about targeted and / or accelerated drying.
  • a heating element can be designed, for example, as a heating resistor, as a resistance wire, as a Peltier element or the like.
  • hydrogel is used equally for the polymer on which it is based and the water-containing hydrogel formed therewith.
  • crosslinking refers to the connection point of several polymer chains. These connections are usually small chemical bridges, but they can also be the connection of macromolecular chains caused by van der Waals forces or hydrogen bonds. Many hydrogel polymer networks are predominantly single-network hydrogels; that is, they have a unique crosslinked polymer network. However, these hydrogels usually lack mechanical strength and elasticity.
  • Hydrogels can be classified as single or multi-phase gels.
  • Single phase gels are those that do not contain any external discrete particles, as a result of which the appearance of the gel is usually clear and homogeneous.
  • single phase gels are the most common naturally occurring gels. In their composition, water dominates and the polymer content is less than 10%. In relation to their applications in actuators and sensors, however, it is disadvantageous that gels with a low polymer content are very soft and easily drained. Gels with a higher polymer content are therefore preferred for technical applications in order to achieve a higher rigidity and better water-absorbing properties.
  • Multi-phase gels consist of different phases, are heterogeneous and therefore usually cloudy.
  • these gels there are cross-links of different materials present and fiber reinforcements can be provided.
  • the different polymers make it possible to combine the properties of different materials.
  • they can contain further particles, for example crystalline structures or fibers, for example carbon nanotubes, which are able to further change the properties of the hydrogel. For example, a conductivity can be increased and / or the mechanical properties can be improved.
  • Multiphase gels have some advantages such as: B. increased modulus of elasticity, strengths or elongations. These are mainly due to the crosslinking of two or more different polymers with mutually advantageous properties.
  • One type of multiphase gels are double network gels, which are characterized by a special network structure that consists of two types of polymer components with opposite physical nature: the components contained in smaller quantities are strongly crosslinked polyelectrolytes and the main component consists of poorly crosslinked neutrals Polymers. These two components are referred to as the first network and the second network, since the synthesis should be carried out in this order in order to achieve high mechanical strength.
  • Double network gels that are synthesized under suitable conditions can have a modulus of elasticity of 0.1-1.0 MPa, a nominal stress at break of 1-10 MPa at an elongation of 1000- 2000% and a breaking compressive stress of 20-60 MPa at an elongation of 90-95% and a high toughness with a breaking energy of 100-1000 J / m 2 . These excellent mechanical properties are comparable to those of rubbers.
  • hydrogels in measuring sensors, a large number of measured variables can be recorded and detected in a cost-effective and energy-saving manner.
  • a suitable combination of different polymers and, if necessary, additives can generate smart behavior.
  • These smart hydrogels react, for example, by a change in volume physical environmental variables such as B. temperature, electric fields, Mag netfelder, light, pressure or acoustics.
  • they also react to chemical influences such as B. PH value, ion or substance concentrations, composition of solvents or molecules.
  • B. PH value ion or substance concentrations
  • the sensitivity to these influences is usually caused by ions anchored in the network, which, through a mixture of chemical, electrical and mechanical interaction effects, produce differences in the ion concentrations inside and outside the gel.
  • the water is forced into or out of the gel by osmosis and a changing expansion of the gel is triggered.
  • mechanical deformation can generate an electrical potential difference between two points of the gel with constant boundary conditions, whereby the deformation can be measured and quantified.
  • Gels especially hydrogels, can thus be used as passive or active measuring transducers.
  • a changed resistance of the gel, a changed relative dielectricity or a mechanical deformation of the gel can be evaluated by means of measuring electronics.
  • the mechanical deformation can be limited if the boundary conditions remain the same, as a result of which the gel develops a swelling pressure, which e.g. in certain hydrogels leads to an electrical potential difference between two points of the gel, so that an active transmitter is formed.
  • the gel is preferably arranged oriented towards a process so that it can come into direct or indirect contact with the process environment.
  • a preferred embodiment provides that the gel is arranged flush in the front of the sensor.
  • a barrier that is impermeable to the gel can be arranged in front of the gel, the barrier preferably being configured to be permeable to the liquid for gel formation.
  • the barrier can also be impermeable to other process components, so that the gel is protected from mechanical and / or chemical influences is arranged.
  • the barrier can be designed as a mechanical barrier, for example as a perforated plate, membrane or otherwise suitably designed barrier.
  • the barrier can be formed as a semipermeable membrane which is permeable to the liquid for gel formation but impermeable to the gel itself and the solid components of the gel.
  • the membrane can be designed as a water-permeable membrane.
  • the viscosity of the gel and the porosity of the barrier must be coordinated with one another in such a way that it is ensured that the gel cannot penetrate the barrier. At the same time it can be achieved that a solvent desired for gel formation penetrates the gel or the gel former.
  • a pre-swollen gel or the solid intended for gel formation i.e. the polymer particles for gel formation, can be arranged behind the barrier for this purpose.
  • a hydrogel this is formed as a single-phase gel.
  • single-phase gels are easy to manufacture, but often have inadequate mechanical properties.
  • a suitable encapsulation within which the polymer for gel formation is arranged and which then also serves to hold the hydrogel, single-phase gels can also be used.
  • the hydrogel is designed as a multiphase gel.
  • improved mechanical properties can be achieved, so that the hydrogel can also be arranged towards the process without a barrier or with a technically simpler barrier.
  • the hydrogel can also be designed as a double network gel or a connected double network gel.
  • the properties of the hydrogel can be influenced by a suitable selection of the polymers used and the optional addition of further additives.
  • hydrogels can be used which, for example, when pressurized Form electrical potential, or change their properties in other measurable ways on temperature, electrical fields, magnetic fields, light, pressure or acoustics.
  • hydrogels can also be used that relate to chemical influences such as z. B. PH value, ion or substance concentrations, composition of solvents or molecules react measurably.
  • the gel can also have a silicone gel.
  • silicone gels In contrast to hydrogels, many silicone gels swell in the presence of oils and fats, so that the presence of oils or fats can be detected using silicone gels.
  • the sensor is preferably an active sensor, i. H.
  • a signal that can be further processed for example a voltage, is generated by the measuring sensor, preferably by the hydrogel.
  • an electrical voltage can be tapped on the hydrogel when pressure is applied.
  • the active measuring sensor does not require an energy supply; on the other hand, further measurement value processing - for example, the tapping and measuring of a voltage - can also be carried out in a very energy-saving manner.
  • the hydrogel can be arranged in a space that is delimited in such a way that when it comes into contact with water, the hydrogel builds up a swelling pressure, which creates a potential difference in the hydrogel that can be tapped as an electrical voltage.
  • the senor can be a passive sensor. Passive measuring sensors can also be designed to be very energy-saving.
  • the gel can change its chemical, electrical or physical properties based on the process variable to be detected, this change being detectable by means of measuring electronics.
  • the conductivity of the gel can be measured, a condenser can be evaluated, the capacity of which can be influenced by the gel, or a swelling pressure can be evaluated by a pressure sensor.
  • a gel preferably a hydrogel, silicone hydrogel, a silicone gel or a mixture thereof, is used in a measuring sensor of a level or limit level measuring device.
  • a gel preferably a hydrogel, silicone hydrogel, a silicone gel or a mixture thereof.
  • Possible materials are combinations of hydrogels with conductive polymers.
  • Possible hydrogels are e.g. N-isopropylacrylamide (NIPAAm), poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA), hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and polypyrene (PPy).
  • NIPAAm N-isopropylacrylamide
  • pHEMA poly (2-hydroxyethyl methacrylate)
  • HEMA hydroxyethyl methacrylate
  • PPy polypyrene
  • the properties of the hydrogels can be changed or adapted by embedding, for example, Cabon nanotubes or other additives.
  • Figure 1 shows an embodiment of a limit level measuring device according to the present application
  • FIG. 2 shows a basic illustration of a measuring transducer with a hydrogel, as can be used in the limit level measuring device according to FIG. 1, in various swelling states.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a limit level measuring device 1 according to the present application.
  • FIG. 1 shows only a schematic illustration of the limit level measuring device 1 with a housing 3 and a sensor 7 arranged on the front, ie in the illustration of FIG. 1 at the bottom.
  • the housing 3 with the sensor 7 can be arranged via a process connection 13 in a measuring environment.
  • Point level measuring devices can of course be used not only in tanks, but also in other containers, silos or in open basins.
  • the sensor 7 of the illustrated limit level measuring device 1 has a measuring transducer 9, which in the present exemplary embodiment is arranged flush with the front, as well as measuring electronics 11 arranged behind the measuring transducer 9.
  • the measurement electronics 11 are designed in such a way that a measurement response of the measurement transducer 9 is made available as a measurement signal and can be further processed by an electronics unit arranged in the housing 3.
  • the electronics unit which is not shown in the present exemplary embodiment for the sake of clarity, carries out a first processing of the measurement signal, supplies the sensor 7 with the necessary energy and, for example, enables the limit level measuring device 1 to communicate with a higher-level unit, for example a control room or a control room via appropriate communication interfaces.
  • the measuring sensor 9 of the present exemplary embodiment is shown enlarged in FIG. 2 in a schematic diagram in various states. What is shown is a basic illustration of the measuring sensor 9 with a hydrogel as a sensitive element, as can be used in the limit level measuring device according to FIG.
  • the measuring sensor 9 is only shown in a sectional illustration in FIG. 2, with a measuring space II of the measuring sensor 9 laterally and rearwardly by walls 95 and at the front, ie. H. towards a process space I, closed off by a barrier 91 which is impenetrable for the polymer arranged in the interior of the measuring space II and which in the present case is designed as a semipermeable membrane 91.
  • a measuring space II of the measuring sensor 9 laterally and rearwardly by walls 95 and at the front, ie. H. towards a process space I, closed off by a barrier 91 which is impenetrable for the polymer arranged in the interior of the measuring space II and which in the present case is designed as a semipermeable membrane 91.
  • dehydrated polymer particles (hydrogel particles) 90 for forming a hydrogel as a sensitive element of the measuring sensor 9 are arranged directly adjacent to the membrane 91.
  • FIG. 2 various swelling states of the polymer (hydrogel) 90 arranged in the measuring chamber II are shown in FIGS. A) to d).
  • the membrane 91 is designed to be water-permeable, so that when monitoring containers that are filled with water-containing media, when the limit level is reached, water from the process chamber I penetrates through the membrane 91 into the measuring chamber II and that located there Polymer 90 that forms the hydrogel.
  • a hydrogel can already be in the measuring room and this can then swell even more.
  • the water enters the polymer 90 it is stored in pockets and / or pores formed by the polymer 90, while at the same time the polymer experiences a strong increase in volume.
  • FIGS. 1 various swelling states of the polymer (hydrogel) 90 arranged in the measuring chamber II are shown in FIGS. A) to d).
  • the membrane 91 is designed to be water-permeable, so that when monitoring containers that are filled with water-containing media, when the limit level is reached, water from the process chamber I penetrates through the
  • the hydrogel used in the present exemplary embodiment reacts to this swelling pressure by means of a potential difference between different points of the hydrogel, which can be picked up by the measuring electronics 11 and made available on the output side as a measuring signal.
  • the measuring sensor 9 can be configured as an active measuring sensor with a suitably selected hyd rogel.
  • Reference number limit level measuring device housing, sensor, measuring electronics, process connection gel / polymer particles / hydrogel membrane / barrier wall, process room, measuring room

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füllstand- oder Grenzstandmessgerät mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse angeordneten Elektronikeinheit sowie einem Sensor mit einem Messaufnehmer zur Detektion oder Messung einer Prozessgröße, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer ein Hydrogel aufweist.

Description

Füllstand- oder Grenzstandmessgerät und Verwendung von Gelen in solchen Messgeräten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füllstand- oder Grenzstandmessgerät und die Verwendung von Gelen in solchen Messgeräten.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druck messgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. H ä u f i g sind solche Feldgeräte mit übergeordne ten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung. Die aus dem Stand der Technik bekannten Feld geräte weisen in der Regel ein Gehäuse, einen Sensor und eine in dem Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit auf.
Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen Feldgerät und übergeordneten Einheiten erfolgt häufig nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife beziehungsweise eine Zweidrahtleitung zwi schen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Mess geräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Proto kollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das FIART-Protokoll oder das Profibus- PA-Protokoll genannt.
Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal oder nur Feldbus und Versorgung über eine Zweidrahtleitung, so- dass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnah men, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungs leitungen vorzusehen. Alternativ kann das Feldgerät auch autark, beispielsweise über eine Batterie, einen Akku, eine Solarzelle oder eine andere lokale Energiever sorgung betreiben werden.
Die Feldgeräte weisen typischerweise ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse angeord nete Elektronik, sowie im Fall von Messeinrichtungen einen Sensor mit einem Messaufnehmer zur Detektion oder Messung einer Prozessgröße auf.
Der Messaufnehmer ist der Teil einer Messeinrichtung bzw. des Sensors, der auf eine Messgröße, hier eine zu erfassende Prozessgröße unmittelbar anspricht.
Messaufnehmer können grundsätzlich anhand der durch sie erzeugten oder ver wendeten Energie in aktive und passive Messaufnehmer unterschieden werden. Aktive Messaufnehmer erzeugten aufgrund des Messprinzips ein elektrisches Sig nal, wohingegen passive Messaufnehmer in ihren physikalischen oder chemischen Eigenschaften verändert werden. Diese Eigenschaftsänderung kann von einer Se kundärelektronik erfasst und weiterverarbeitet werden.
Grundsätzlich besteht in der Prozessautomatisierungstechnik der Wunsch nach neuen, energiesparenden Feldgeräten, die bspw. einen autarken Betrieb, ohne eine aufwendige Verkabelung, bspw. im Batteriebetrieb oder durch Energy-Har- vesting, d. h. dem „Ernten" von Energie aus der Umwelt ermöglichen. Im Stand der Technik wird eine Reduktion des Energieverbrauchs durch den Einsatz einer energiesparenden Elektronik, d. h. bspw. energiesparenden Prozessoren oder Microcontrollern und energiesparenden Funkmodulen, vorangetrieben. Darüber hinaus besteht auch der Wunsch nach neuen Messprinzipien, die das Einsparen von Energie unterstützen oder aber neue Bereiche der Messtechnik eröffnen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen neuartigen Füllstand- oder Grenzstandsensor zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Füllstand- oder Grenzstandmessgerät mit den Merk malen des Patentanspruchs 1, die Verwendung von Hydrogelen in einem Messauf nehmer eines Füllstand- oder Grenzstandmessgeräts gemäß Patentanspruch 18 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen. Ein erfindungsgemäßes Füllstand- oder Grenzstandmessgerät mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse angeordneten Messelektronik, sowie einem Sensor mit einem Messaufnehmer zur Detektion oder Messung einer Prozessgröße, zeichnet sich dadurch aus, dass der Messaufnehmer ein Gel aufweist. Insbesondere bedeu tet das, dass das Gel direkt oder indirekt zur Messung verwendet wird.
Vorzugsweise ist das Füllstand- oder Grenzstandmessgerät so ausgebildet, dass der Messaufnehmer das Gel ist.
Das Gel ist vorzugsweise als Hydrogel, Silikon-Hydrogel, Silikongel oder Mischung daraus ausgebildet.
Ein Gel ist ein disperses System, das aus mindestens zwei Komponenten, einer festen Komponente und einer flüssigen oder gasförmigen Komponente, besteht. Die feste Komponente bildet ein schwammartiges, dreidimensionales Netzwerk, dessen Poren durch flüssige oder gasförmige Komponente ausgefüllt sind. Die flüs sige oder gasförmige Komponente ist dadurch in der festen Komponente immobi lisiert.
Der Begriff Gel wird in der vorliegenden Anmeldung gleichwertig für den zugrun deliegenden Gelbildner als auch das damit gebildete Gel verwendet.
Ein Hydrogel ist ein Wasser enthaltendes, aber wasserunlösliches Polymer, dessen Moleküle chemisch, durch kovalente, ionische Bindungen oder physikalisch, durch Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals Kräfte oder Verschlaufen der Poly merketten, zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. Durch einge baute hydrophile Polymerkomponenten quellen sie in Wasser unter beträchtlicher Volumenzunahme auf, ohne aber ihren stofflichen Zusammenhalt zu verlieren.
Im Allgemeinen bestehen Hydrogele aus einem Netzwerk von Polymerketten, die unter wässrigen Bedingungen quellen. Sie bestehen entweder aus physikalischen oder chemischen Vernetzungen mit Taschen aus einem wässrigen Medium, die die Quellung ermöglichen. Dabei entwickelt das Hydrogel erhebliche Kräfte bei der Expansion und Kontraktion und kann somit mechanische Arbeit verrichten. Die Expansion und Kontraktion der Hydrogele kann beliebig oft wiederholt werden. Durch Austrocknung geht das Hydrogel in seinen Ausgangszustand zurück.
Ein Austrocknen des Hydrogels kann entweder aufgrund der Abwesenheit von Wasser oder wasserhaltigen Flüssigkeiten durch die Umgebungs- und/oder Pro zesstemperatur erfolgen, oder es kann, um eine gezielte und/oder beschleunigte Austrocknung herbeizuführen, ein Heizelement in dem Sensor vorgesehen sein. Ein solches Heizelement kann bspw. Heizwiderstand, als Widerstandsdraht, als Pel- tierelement oder dergleichen ausgebildet sein.
Der Begriff Hydrogel wird in der vorliegenden Anmeldung gleichwertig für das zu grundeliegende Polymer und das damit gebildete, Wasser enthaltende Hydrogel verwendet.
Der Begriff "Vernetzung" bezieht sich auf den Verbindungspunkt mehrerer Poly merketten. Diese Verbindungen sind in der Regel kleine chemische Brücken, kön nen aber auch die Verbindung von Makromolekularketten sein, die durch Van-der- Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrücken verursacht werden. Viele Hydrogel-Poly mernetzwerke sind überwiegend Ein-Netzwerk-Hydrogele, d. h., dass sie ein ein ziges vernetztes Polymernetzwerk aufweisen. Diesen Hydrogelen fehlt jedoch in der Regel die mechanische Festigkeit und Elastizität.
Hydrogele können als ein- oder mehrphasige Gele klassifiziert werden.
Einphasengele sind solche, die keine externen diskreten Partikel enthalten, wodurch das Aussehen des Gels in der Regel klar und homogen ist. Darüber hinaus sind Einphasengele die am häufigsten natürlich vorkommenden Gele. In ihrer Zu sammensetzung dominiert Wasser und der Polymeranteil beträgt weniger als 10%. In Bezug auf ihre Anwendungen in Aktoren und Sensoren ist es jedoch nachteilig, dass Gele mit niedrigem Polymergehalt sehr weich und leicht entwässerbar sind. Gele mit einem höheren Polymeranteil werden daher für technische Anwendungen bevorzugt, um eine höhere Steifigkeit und bessere wasserabsorbierende Eigen schaften zu erreichen.
Mehrphasengele bestehen aus verschiedenen Phasen, sind heterogen und daher in der Regel trüb. In diesen Gelen sind Vernetzungen verschiedener Materialien vorhanden und es können Faserverstärkungen vorgesehen sein. Durch die ver schiedenen Polymere wird eine Kombination der Eigenschaften verschiedener Ma terialien möglich. Darüber hinaus können sie weitere Partikel, bspw. kristalline Strukturen oder Fasern, bspw. Carbon-Nanotubes enthalten, die in der Lage sind, die Eigenschaften des Hydrogels weiter zu verändern. Bspw. kann so eine Leitfä higkeit erhöht werden und/oder es können die mechanischen Eigenschaften ver bessert werden.
Mehrphasengele haben einige Vorteile, wie z. B. erhöhte Elastizitätsmodule, Fes tigkeiten oder Dehnungen. Diese sind vor allem auf die Vernetzung von zwei oder mehr verschiedenen Polymeren mit gegenseitig vorteilhaften Eigenschaften zu rückzuführen.
Eine Art von Mehrphasengelen sind Doppelnetzwerk-Gele, die sich durch eine spe zielle Netzwerkstruktur auszeichnen, die aus zwei Arten von Polymerkomponenten mit entgegengesetzter physikalischer Natur besteht: Die in geringerer Menge ent haltene Komponente sind stark vernetzte Polyelektrolyte und die Hauptkompo nente besteht aus schlecht vernetzten neutralen Polymeren. Diese beiden Kompo nenten werden als erstes Netzwerk bzw. zweites Netzwerk bezeichnet, da die Syn these in dieser Reihenfolge durchgeführt werden sollte, um eine hohe mechanische Festigkeit zu realisieren. Doppelnetzwerk-Gele, die unter geeigneten Bedingungen synthetisiert werden (Auswahl der Polymere, Aufgabemischungen, Reaktionsat mosphäre usw.), können ein Elastizitätsmodul von 0, 1-1,0 MPa, eine Bruchnenn spannung von 1-10 MPa bei einer Dehnung von 1000-2000% sowie eine Bruch druckspannung von 20-60 MPa bei einer Dehnung von 90-95% sowie eine hohe Zähigkeit mit einer Bruchenergie von 100-1000 J/m2 aufweisen. Diese hervorra genden mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von Kautschu ken.
Durch den Einsatz von Hydrogelen in Messaufnehmern können eine Vielzahl von Messgrößen erfasst und sowohl kostengünstig als auch energiesparend detektiert werden.
Bei ausgewählten Polymernetzwerken kann durch geeignete Kombination von ver schiedenen Polymeren und ggf. Zusatzstoffen ein smartes Verhalten erzeugt wer den. Diese smarten Hydrogele reagieren bspw. durch eine Volumenänderung auf physikalische Umgebungsgrößen wie z. B. Temperatur, elektrische Felder, Mag netfelder, Licht, Druck oder Akustik. Des Weiteren reagieren sie auch auf chemi sche Einflüsse wie z. B. PH-Wert, Ionen- oder Stoffkonzentrationen, Zusammen setzung von Lösungsmittel oder Molekülen. Die Empfindlichkeit gegenüber diesen Einflüssen wird in der Regel durch im Netzwerk verankerte Ionen hervorgerufen, die durch eine Mischung aus chemischen, elektrischen und mechanischen Wech selwirkungseffekten Differenzen in den Ionenkonzentrationen innerhalb und au ßerhalb des Gels hervorrufen. Dadurch wird das Wasser durch Osmose ins oder aus dem Gel gedrängt und eine sich ändernde Dehnung des Gels ausgelöst. Im Gegenzug kann durch eine mechanische Verformung bei gleich bleibenden Rand bedingungen eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels erzeugt werden, wodurch die Verformung gemessen und quantitativ erfasst wer den kann.
Gele, insbesondere Hydrogel können damit als passiver oder als aktiver Messum former eingesetzt werden.
Beispielsweise kann ein geänderter Widerstand des Gels, eine geänderte relative Dielektrizität oder eine mechanische Verformung des Gels über eine Messelektro nik ausgewertet werden. Alternativ kann die mechanische Verformung bei gleich bleibenden Randbedingungen begrenzt werden, wodurch das Gel einen Quellungs druck entwickelt, der z.B. bei bestimmten Hydrogelen zu einer elektrischen Poten tialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels führt, sodass ein aktiver Messumfor mer gebildet wird.
Das Gel ist vorzugsweise zu einem Prozess hin orientiert angeordnet, sodass es mittelbar oder unmittelbar mit der Prozessumgebung in Kontakt treten kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Gel in dem Sensor frontbündig angeordnet ist.
Vor dem Gel kann eine für das Gel undurchlässig Barriere angeordnet sein, wobei die Barriere vorzugsweise für die Flüssigkeit zur Gelbildung durchlässig ausgestal tet ist. Die Barriere kann ferner auch für weitere Prozessbestandteile undurchlässig sein, sodass das Gel vor mechanischen und/oder chemischen Einflüssen geschützt angeordnet ist. Die Barriere kann als mechanische Barriere, bspw. als Lochblech, Membran oder anderweitig geeignet ausgebildete Barriere ausgestaltet sein.
In einer Ausgestaltungsform kann die Barriere als semipermeable Membran aus gebildet sein, die für die Flüssigkeit zur Gelbildung durchlässig, aber für das Gel selbst sowie die festen Komponenten des Gels undurchlässig ist.
Ist Wasser als Flüssigkeit für die Gelbildung vorgesehen, so kann die Membran als wasserdurchlässige Membran ausgebildet sein.
Insgesamt sind eine Viskosität des Gels sowie eine Porosität der Barriere so aufei nander abzustimmen, dass sichergestellt ist, dass das Gel die Barriere nicht durch dringen kann. Gleichzeitig kann erreicht werden, dass ein für die Gelbildung ge wünschtes Lösungsmittel zu dem Gel bzw. dem Gelbildner vordringt. Im Fall von Hydrogelen können hierfür ein bereits vorgequollenes Gel oder der für die Gelbil dung vorgesehen Feststoff, d.h. die Polymerpartikel zur Gelbildung hinter der Bar riere angeordnet sein.
In einer einfachen Ausgestaltung eines Hydrogels ist dieses als Einphasengel aus gebildet. Wie oben beschrieben sind Einphasengele einfach in der Herstellung, wei sen aber häufig unzureichende mechanische Eigenschaften auf. Durch eine ent sprechende Kapselung, innerhalb derer das Polymer zur Gelbildung angeordnet ist und die dann auch zur Aufnahme des Hydrogels dient, können Einphasengele den noch auch zum Einsatz kommen.
In einer Weiterbildung ist das Hydrogel als Mehrphasengel ausgebildet. Durch die Ausgestaltung des Hydrogels als Mehrphasengel können verbesserte mechanische Eigenschaften erreicht werden, sodass das Hydrogel ggf. auch ohne eine Barriere oder mit einer technisch einfacheren Barriere zum Prozess hin angeordnet werden kann.
Das Hydrogel kann ferner als Doppelnetzwerkgel oder verbundenes Doppelnetz werkgel ausgebildet sein. Wie oben dargestellt können durch eine passende Aus wahl der verwendeten Polymere sowie das optionale Zufügen weiterer Zusatzstoffe die Eigenschaften des Hydrogels beeinflusst werden. Es können auf diese Art und Weise bspw. Hydrogele verwendet werden, die bspw. bei Druckbeaufschlagung ein elektrisches Potential ausbilden, oder die auf Temperatur, elektrische Felder, Mag netfelder, Licht, Druck oder Akustik ihre Eigenschaften anderweitig messbar ver ändern. Des Weiteren können auch Hydrogele verwendet werden, die auf chemi sche Einflüsse wie z. B. PH-Wert, Ionen- oder Stoffkonzentrationen, Zusammen setzung von Lösungsmittel oder Molekülen messbar reagieren.
Das Gel kann ferner ein Silikongel aufweisen. Im Unterschied zu Hydrogelen quel len viele Silikongele bei Anwesenheit von Ölen und Fetten, sodass mittels Silikon gelen die Anwesenheit von Ölen oder Fetten detektiert werden kann.
Vorzugsweise ist der Messaufnehmer ein aktiver Messaufnehmer, d. h. auf eine Veränderung der zu erfassenden Prozessgröße hin, wird durch den Messaufneh mer, vorzugsweise durch das Hydrogel ein weiterverarbeitbares Signal, bspw. eine Spannung erzeugt.
In einer bevorzugten Variante ist an dem Hydrogel bei einer Druckeinwirkung eine elektrische Spannung abgreifbar.
Auf diese Weise kann eine sehr energiesparende Messanordnung geschaffen wer den. Zum einen benötigt der aktive Messaufnehmer keine Energieversorgung, zum anderen kann eine weitere Messwertverarbeitung - bspw. das Abgreifen und Mes sen einer Spannung - ebenfalls sehr energiesparend erfolgen.
Bspw. kann das Hydrogel in einem Raum angeordnet sein, der derart begrenzt ist, dass es bei einem Kontakt mit Wasser durch das Hydrogel ein Schwellungsdruck aufgebaut wird, wodurch in dem Hydrogel eine Potentialdifferenz entsteht, die als elektrische Spannung abgreifbar ist.
Alternativ kann der Messwertaufnehmer ein passiver Messaufnehmer sein. Auch passive Messaufnehmer können sehr energiesparend aufgebaut sein. Bspw. kann das Gel aufgrund der zu erfassenden Prozessvariable seine chemischen, elektri schen oder physikalischen Eigenschaften verändern, wobei diese Veränderung mit tels einer Messelektronik erfassbar ist. Bspw. kann eine Messung der Leitfähigkeit des Gels, die Auswertung eines Kon densators, der in seiner Kapazität durch das Gel beeinflussbar ist, oder eine Aus wertung eines Schwellungsdruckes durch einen Druckaufnehmer erfolgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gel, vorzugsweise ein Hydrogel, Sili kon-Hydrogel, ein Silikongel oder eine Mischung daraus in einem Messaufnehmer eines Füllstand- oder Grenzstandmessgeräts verwendet. Durch die Verwendung von Gelen in Messaufnehmern können, wie oben dargestellt, eine Vielzahl von Messgrößen erfasst und sowohl kostengünstig als auch energiesparend detektiert werden.
Mögliche Materialine sind Kombinationen aus Hydrogelen mit leitfähigen Polyme ren. Mögliche Hydrogele sind z.B. N-Isopropylacrylamid (NIPAAm), Poly(2-Hydro- xyethyl methacrylat) (pHEMA), Hydroxyethyl Methacrylat (HEMA) und Polypyrol (PPy). Die Eigenschaften der Hydrogele können durch das Einbetten von bspw. Cabon-Nanotubes oder anderen Additiven verändert bzw. angepasst werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels eingehend erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Grenzstandmessgerätes gemäß der vorliegenden Anmeldung und
Figur 2 eine Prinzipdarstellung eines Messumformers mit einem Hydrogel, wie er in dem Grenzstandmessgerät gemäß Figur 1 zum Einsatz kommen kann in verschiedenen Quellungszuständen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Grenzstandmessgeräts 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
Figur 1 zeigt lediglich eine schematische Darstellung des Grenzstandmessgeräts 1 mit einem Gehäuse 3 und einem vorderseitig, d. h. in der Darstellung der Figur 1 unten angeordneten Sensor 7. Das Gehäuse 3 mit dem Sensor 7 ist über einen Prozessanschluss 13 in einer Messumgebung anordenbar. Bei einem Grenzstand messgeräte 1, wie es vorliegend gezeigt ist bedeutet das, dass das Grenzstand messgerät 1 bei einem zu überwachenden Grenzstand, d. h. beispielsweise einer bestimmten Höhe in einem Tank, dem sogenannten Grenzstand, angeordnet wird. Grenzstandmessgeräte können selbstverständlich nicht nur in Tanks, sondern auch in anderen Behältern, Silos oder in offenen Becken zum Einsatz kommen.
Der Sensor 7 des dargestellten Grenzstandmessgeräts 1 weist einen Messaufneh mer 9, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel frontbündig angeordnet ist, sowie eine hinter dem Messaufnehmer 9 angeordneten Messelektronik 11 auf. Die Mes selektronik 11 ist derart ausgebildet, dass eine Messreaktion des Messaufnehmers 9 als Messsignal zur Verfügung gestellt und von einer in dem Gehäuse 3 angeord neten Elektronikeinheit weiterverarbeitet werden kann.
Die Elektronikeinheit, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel der besseren Über sichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, führt eine erste Verarbeitung des Messsig nals durch, versorgt den Sensor 7 mit der notwendigen Energie und ermöglicht beispielsweise eine Kommunikation des Grenzstandmessgeräts 1 mit einer über geordneten Einheit, beispielsweise einer Messwarte oder einem Leitstand über ent sprechende Kommunikationsschnittstellen.
Der Messaufnehmer 9 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist in Figur 2 in einer Prinzipskizze vergrößert in verschiedenen Zuständen dargestellt. Gezeigt ist eine Prinzipdarstellung des Messaufnehmers 9 mit einem Hydrogel als sensitiven Ele ment, wie er in dem Grenzstandmessgerät gemäß Figur 1 zum Einsatz kommen kann.
Der Messaufnehmer 9 ist in Figur 2 der Einfachheit halber nur in einer Schnittdar stellung gezeigt, wobei ein Messraum II des Messaufnehmers 9 seitlich und rück seitig durch Wandungen 95 und vorderseitig, d. h. zu einem Prozessraum I hin, durch eine für das im Inneren des Messraums II angeordneten Polymer undurch dringlichen Barriere 91, die vorliegend als semipermeable Membran 91 ausgebildet ist, abgeschlossen. In dem Messraum II sind unmittelbar angrenzend an die Membran 91 dehydrierte Polymerpartikel (Hydrogel-Partikel) 90 zur Bildung eines Hydrogels als sensitives Element des Messaufnehmers 9 angeordnet.
In Figur 2 sind in den Figuren a) bis d) verschiedene Quellungszustände des in dem Messraum II angeordneten Polymers (Hydrogels) 90 gezeigt. Die Membran 91 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel wasserdurchlässig aus gestaltet, sodass bei der Überwachung von Behältern, die mit wasserhaltigen Me dien gefüllt werden bei Erreichen des Grenzstandes Wasser aus dem Prozessraum I durch die Membran 91 in den Messraum II eindringt und mit dem dort befindli- chen Polymer 90 das Hydrogel bildet. Alternativ kann auch schon ein Hydrogel im Messraum sein und dieses dann noch mehr aufquellen. Durch das hinzutreten des Wassers zu dem Polymer 90 wird dieses in durch das Polymer 90 gebildete Taschen und/oder Poren eingelagert, während gleichzeitig das Polymer eine starke Volu menzunahme erfährt. In den Figuren 2b) und 2c) ist gezeigt, dass sich das durch das Wasser und das Polymer 90 gebildete Hydrogel zunächst ungehindert in dem Messeraum II ausdehnt, bis es das durch den Messraum II vordefinierte Volumen vollständig ausfüllt. Tritt nun, wie in Figur 2c) dargestellt, weiteres Wasser durch die Membran 91 aus dem Prozessraum I in den Messeraum II ein, so entwickelt das Hydrogel 90 einen sogenannten Quellungsdruck, da eine weitere Volumenzu- nähme nicht mehr möglich ist.
Das im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Hydrogel reagiert auf diesen Quellungsdruck durch eine Potentialdifferenz zwischen unterschiedlichen Stellen des Hydrogels, die durch die Messelektronik 11 aufgenommen und ausgangsseitig als Messsignal zur Verfügung gestellt werden kann.
Auf diese Weise kann der Messaufnehmer 9 bei einem geeignet ausgewählten Hyd rogel als aktiver Messaufnehmer ausgestaltet sein.
Bezugszeichen Grenzstandmessgerät Gehäuse Sensor Messaufnehmer Messelektronik Prozessanschluss Gel/Polymerpartikel/ Hydrogel Membran/ Barriere Wandung Prozessraum Messraum

Claims

Patentansprüche
1. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) mit einem Gehäuse (3), einer in dem Gehäuse (3) angeordneten Elektronikeinheit sowie einem Sensor (7) mit einem Messaufnehmer (9) zur Detektion oder Messung einer Prozess größe, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (9) ein Gel (90) aufweist.
2. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (9) das Gel (90) ist.
3. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (90) zu einem Prozess hin orientiert angeordnet ist.
4. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (90) in dem Sensor (7) frontbündig angeordnet ist.
5. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gel (90) eine für das Gel (90) undurchlässig Barriere (91) ange ordnet ist.
6. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere als semipermeable Membran (91) ausgebildet ist.
7. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (90) ein Hydrogel aufweist.
8. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (91) als wasserdurchlässige Membran (91) ausgebildet ist.
9. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrogel (90) als Einphasengel ausgebildet ist.
10. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrogel (90) als Mehrphasengel ausgebildet ist.
11. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrogel (90) als Doppelnetzwerkgel oder verbundenes Doppelnetz werkgel ausgebildet ist.
12. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (90) als Silikongel aufweist.
13. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (9) ein aktiver Messaufnehmer (9) ist.
14. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Hydrogel (90) bei einer Druckeinwirkung eine elektrische Span nung abgreifbar ist.
15. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrogel (90) in einem derart begrenzten Raum angeordnet ist, dass es bei einem Kontakt mit Wasser oder wasserhaltigem Medium oder mit physikalischen Umgebungsgrößen wie Temperatur, elektrische Felder, Magnetfelder, Licht, Druck, Akustik oder bei chemischen Einflüssen wie PH-Wert, Ionen- oder Stoffkonzentrationen, bestimmten Zusammenset zungen von Lösungsmitteln oder Molekülen einen Schwellungsdruck auf baut, wodurch die elektrische Spannung erzeugt wird.
16. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (9) ein passiver Messaufnehmer (9) ist.
17. Füllstand- oder Grenzstandmessgerät (1) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (90) aufgrund der zu erfassenden Prozessvariable seine chemi schen, elektrischen oder physikalischen Eigenschaften verändert, wobei diese Veränderung mittels einer Messelektronik (11) erfassbar ist.
18. Verwendung eines Gels (90), vorzugsweise eines Hydrogels, Silikonhydro gels, eines Silikongels oder einer Mischung daraus in einem Messaufneh mer (9) eines Füllstand- oder Grenzstandmessgeräts (1).
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