DE10130862A1

DE10130862A1 - Prozeßmessstelle

Info

Publication number: DE10130862A1
Application number: DE10130862A
Authority: DE
Inventors: Detlev Wittmer; Wolfgang Babel
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-23
Also published as: JP3936935B2; JP2004530908A; US7259848B2; US20050046838A1; EP1399718A1; WO2003002958A1

Abstract

Prozeßmeßstelle, umfassend mindestens einen Spektrometer sowie einen damit verbundenen Meßumformer zum Aufnehmen, Verarbeiten und Weiterleiten von Meßsignalen der Spektrometer, wobei das Spektrometer in einer Armatur zum Einführen in einen Prozeß oder ein Prozeßfluid angeordnet ist und die vom Spektrometer erzeugten Daten zur Steuerung eines Prozesses dienen, wobei die Armatur ein Gehäuse zur Aufnahme des Spektrometers und zur Festlegung der Armatur an einem das Prozeßfluid beinhaltenden Prozeßbehälter umfaßt sowie einen mit dem Spektrometer zusammenwirkende Sensorhalterung mit eingebautem Sensor, die axial verschieblich in der Armatur geführt ist und wobei die Sensorhalterung im ausgefahrenen Zustand in das Prozeßfluid hineinragt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozeßmeßstelle umfassend mindestens ein Spektrometer sowie einen damit verbundenen Meßumformer zum Aufnehmen, Verarbeiten und Weiterleiten von Meßsignalen des Spektrometers.
Spektrometrische Untersuchungen werden im Rahmen von Produktionsprozessen von Gasen und Flüssigkeiten durchgeführt, um Erkenntnisse über den Produktionsverlauf bzw. den entstandenen Stoff oder die Menge des bisher entstandenen Stoffes zu erhalten, um beispielsweise die bereits erfolgte Umsetzung zweier Edukte beurteilen zu können.
Es ist bisher bekannt, Proben aus dem Prozeß bzw. aus den Prozeßfluiden zu entnehmen und diese entweder unmittelbar in eine Spektrometrieapparatur in eine entsprechende Probenküvette zu geben und dann zu analysieren, wobei dann die Analyseergebnisse von einem PC ausgewertet werden oder es kann alternativ eine Probe gezogen werden, die dann mittels eines Lichtwellenleiters mit einem Spektrometer verbunden ist, so daß kein direktes Einfüllen der Flüssigkeit in das Spektrometer erfolgen muß.
Problematisch bei beiden bisher bekannten Verfahren ist die Probenahme, da hier ein nicht unerheblicher Zeitfaktor besteht, d. h. zum einen wird Zeit und Personal für die Probenahme benötigt und zum anderen besteht stets gerade bei kontinuierlich laufenden Prozessen eine Verzögerungszeit zwischen Vorliegen des Ergebnisses der Spektrometrie und der Probenahme. D. h. eine direkte Verfolgung des Prozesses und letztendlich seine Steuerung und Regelung mittels der Spektrometrie ist bei derartigen Offline-Messungen nicht möglich.
Darüber hinaus besteht bei der Probenahme neben dem Nachteil der lediglich diskontinuierlichen Messung stets die Möglichkeit einer Gesundheitsgefährdung, da die Probenahmenperson mit dem zu entnehmenden Fluid ggf. in Kontakt kommt. Darüber hinaus können auch Verunreinigungen des Produktionsstromes erfolgen.
Insbesondere bei der Messung über Lichtwellenleiter, die das Licht in die Flüssigkeit einkoppeln und wieder an das Spektrometer zurücksenden, besteht darüber hinaus der Nachteil, daß derartige Lichtleitverbindungen nicht über eine beliebig lange Strecke verwirklicht werden können und auch nicht für alle Spektralbereiche einsetzbar sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Prozeßmeßstelle mit einem Spektrometer bereitzustellen, die unmittelbar in situ und online eine kontinuierliche Messung ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung einer Prozeßmeßstelle umfassend mindestens einen Spektrometer sowie einen damit verbundenen Meßumformer zum Aufnehmen, Verarbeiten und Weiterleiten von Meßsignalen des Spektrometers, wobei das Spektrometer in einer Armatur zum Einführen in einen Prozeß oder einen Prozeßstrom, d. h. ein Prozeßfluid, angeordnet ist und die vom Spektrometer erzeugten Daten zur Steuerung des Prozesses dienen, wobei die Armatur ein Gehäuse zur Aufnahme des Spektrometers und zur Festlegung der Armatur an einem den Prozeß oder das Prozeßfluid beinhaltenden Prozeßbehälter umfaßt sowie einen mit dem Spektrometer zusammenwirkenden Sensor, der axial verschieblich in der Armatur geführt ist und wobei der Sensor im ausgefahrenen Zustand in den Prozeß bwz. das Prozeßfluid hineinragt.
Eine derartige Ausgestaltung einer Prozeßmeßstelle besitzt den Vorteil, daß das Spektrometer nicht als separate Einheit, sondern in einer entsprechenden Armatur untergebracht ist, wie sie in herkömmliche, an Reaktorbehältern sowie Rohrleitungen vorgesehene Stutzen an entsprechenden Meßstellen eingesetzt werden können. Eine Probenahme mit einem nicht unerheblichen Zeitaufwand und der Notwendigkeit, gefährliche Chemikalien zu handhaben, entfällt dann.
Darüber hinaus ist eine kontinuierliche Messung im Reaktor selber möglich und damit die Verfolgung des Umsetzungsprozesses und die direkte Steuerung des Prozesses mittels der durch das Spektrometer gewonnenen Ergebnisse.
Durch den Einbau in die Armatur wird der Einsatz auch in explosionsgefährdeten Bereichen ermöglicht, denn das Spektrometer kann in der Armatur ex-geschützt untergebracht werden.
Die ansonsten übliche Anbindung von Spektrometern über lange Lichtwellenleiter, die nicht in jedem Wellenlängenbereich möglich ist, kann dann darüber hinaus entfallen. Es sind lediglich kurze optische Wege bis zum Medium zu überbrücken, so daß die Spektrometrie im UV-Bereich, dem sichtbaren, dem nahen Infrarot und mittleren Infrarot-Bereich möglich wird.
An den Meßumformer können ein oder mehrere Spektrometer angeschlossen werden, außerdem kann er mit weiteren Sensoren zur Bestimmung weiterer Meßparameter, wie z. B. pH-Wert, Leitfähigkeit etc. verbunden sein. Der Meßumformer kann die Spektren darstellen, auswerten und beispielsweise über eine prozeßkompatible Schnittstelle wie z. B. Profibus, Foundation, Fieldbus, Ethernet, einer Prozeßleitstelle übermitteln. Die Prozeßleitstelle sorgt dann für die Nachführung der entsprechenden Prozeßparameter.
Als Mittel zur gemeinsamen Nutzung der identischen Bedienoberfläche im Meßumformer und einem extern angeschlossenen PC kann beispielsweise ein identischer Device Type Manager (DTM) verwendet werden.
Optional kann beispielsweise die Verwendung einer Standard- Schnittstellenspezifikation nach dem FDT-Konzept (Field Device Tool) möglich sein.
Außerdem kann der Meßumformer die einzelnen Meßparameter verknüpfen und Berechnungen damit durchführen bzw. Interaktionen mit Prozeßstellgliedern vornehmen, z. B. Prozeßregelung und Prozeßsteuerung.
Das Spektrometer liefert dann insbesondere inline und in-situ und/oder kontinuierliche Meßsignale.
Es kann vorgesehen sein, daß der Sensor eine Lichtleiteinrichtung umfaßt, insbesondere Lichtwellenleiter, die zur optischen Ankopplung des Spektrometers an dem Prozeß und/oder Prozeßstrom dienen. Anders als bei bisher üblichen Verbindungen mit Lichtwellenleitern müssen diese im vorliegenden Fall jedoch nur eine kurze Strecke überbrücken, um das Licht in die Flüssigkeit einzukoppeln und um wiederum das austretende Licht an das Spektrometer zu übersenden.
Die Ankopplung kann hierbei z. B. mittels Absorption oder ATR (Attenuated Total Reflection) erfolgen, die beide übliche Verfahren zur Einkopplung von Licht in eine Flüssigkeit oder ein Gas darstellen. Es sind jedoch auch andere optische Ankopplungen denkbar.
Bei dem Prozeßspektrometer kann es sich beispielsweise um ein Spektrometer nach dem Prinzip des Gitterspektrometers oder des ATOF-Kristallspektrometers oder andere handeln.
Die Anbindung des Spektrometers an den Meußumformer kann entweder elektrisch, z. B. über digitale oder analoge Anbindung, oder optisch, beispielsweise mittels einer digitalen Datenübertragung über Lichtwellenleiter, erfolgen.
Das verwendete Spektrometer ist dabei ein handelsüblicher Spektrometer, das für verschiedene Wellenlängenbereiche bereitsteht. Das Spektrometer kann dabei innerhalb der Armatur austauschbar sein, wobei es sich bei der Armatur um eine Wechselarmatur handeln kann.
Es kann dann in der Armatur die komplette Einheit aus Sensor, nämlich insbesondere den Lichtwellenleitern, und dem Spektrometer selbst ausgetauscht werden, wenn beispielsweise Messungen in einem anderen Wellenlängenbereich vorgenommen werden sollen. Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Sensor, der sich in der ausgefahrenen Stellung in seiner Meßstellung im Prozeß oder im Prozeßstrom befindet, sich in seiner eingezogenen Stellung in einer Reinigungsstellung und/oder Kalibrationsstellung befindet. Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Meßumformer die Wechselarmatur hierzu steuert, z. B. um die Reinigung oder Kalibrierung des Spektrometers vorzunehmen. Dies kann programmgesteuert über einen zeitlichen Ablauf ereignisgesteuert von außen oder gesteuert durch das Meßsignal selbst erfolgen. Hierdurch wird beispielsweise eine automatische Reinigung bei Verschmutzungserkennung oder eine automatische Kalibrierung mit einer Kalibrierlösung ermöglicht, wenn z. B. die Meßwerte nicht plausibel erscheinen.
Der in einer Sensorhalterung eingebaute Sensor wird hierzu entlang einer Führungseinrichtung in der Armatur in axialer Richtung aus dem Prozeßmedium herausgeführt und in die Armatur eingezogen und in eine Reinigungs- oder Kalibrierstellung gebracht, in der eine entsprechende Behandlung durchgeführt werden kann. Der Sensor kann danach wiederum in das Prozeßmedium abgesenkt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Anmeldungsunterlagen. Im Folgenden soll eine Ausgestaltung der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.
Dabei zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Meßstelle für einen Herstellungsprozeß in der chemischen oder petrochemischen Industrie. Die Prozeßmeßstelle ist dabei in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 versehen.
Sie umfaßt einen Meßumformer 12 sowie zwei Armaturen 14 und 16. Die beiden Armaturen 14, 16 beinhalten hierbei je ein Prozeßspektrometer (nicht dargestellt), das im Gehäuse 18 bzw. 20 der Armaturen 14, 16 angeordnet ist.
Bei den Spektrometern handelt es sich um handelsübliche Geräte, die für bestimmte Wellenlängenbereiche ausgelegt sind. Beide Spektrometer sind hierbei ex-geschützt ausgeführt.
Des weiteren umfassen die Armaturen 14, 16 je eine Sensorhalterung 22, 24, die in axialer Richtung (Pfeilrichtung 26) verschiebbar sind, zur Aufnahme der Sensoren.
Die Figur zeigt die Sensorhalterungen 22, 24 in ihrer ausgefahrenen, also Meßstellung, bei der sie in das Prozeßfluid, das sich beispielsweise in einem chemischen Reaktor befindet, hineinragen. Zum Reinigen der Sensoröffnungen 22o, 24o und Kalibrieren des Sensors kann die Sensorhalterung 22, 24 in den Gehäuseabschnitt 28, 30 der Armaturen 14, 16 zurückgezogen werden. Diese ragt dann nicht länger in das Prozeßfluid hinein. Es kann hierbei vorgesehen sein, daß dann die Austrittsöffnung für die Sensorhalterung 22, 24 verschlossen wird, so daß die Armatur 14, 16 nicht länger in Kontakt mit dem Fluid steht.
Innerhalb der Sensorhalterung 22, 24 sind Lichtwellenleiter angeordnet, die mittels des Absorptionsverfahrens das Licht in das Fluid einkoppeln. Die Messung erfolgt hierbei innerhalb der Meßöffnung 22o bzw. 24o, die vom Fluid durchströmt sind.
Die Meßsignale der beiden Sonden werden dann über Leitungen 33 an den Meßumformer 12 weitergeleitet, der als Multiparameter- Meßumformer dient und die Meßsignale der Spektrometer aufnimmt, verarbeitet und weiterleitet.
Neben den Meßsignalen der Spektrometer erhält der Meßumformer 12 über die Leitungen 29 Meßsignale von weiteren Sensoren, wie beispielsweise pH-Wert oder Leitfähigkeit.
Die gewonnenen Daten sendet der Meßumformer 12 über eine Internetanbindung 30 bzw. eine Profibus-Anbindung 32 an ein Prozeßleitsystem, das die Steuerung des Produktionsprozesses vornimmt.
Der Meßumformer 12 kann darüber hinaus einzelne Meßparameter verknüpfen, Berechnungen damit durchführen und Interaktionen mit Prozeßstellgliedern vornehmen.
Darüber hinaus kann der Meßumformer 12 die Wechselarmaturen 14, 16 steuern, um eine Reinigung und Kalibrierung der Spektrometer vorzunehmen.
Als Mittel zur gemeinsamen Nutzung der identischen Bedienoberfläche im Meßumformer und einem extern angeschlossenen PC soll beispielsweise ein identischer Device Type Manager (DTM) verwendet werden.
Optional soll beispielsweise die Verwendung einer Standard- Schnittstellenspezifikation nach dem FDT-Konzept (Field Device Tool) möglich sein.
Sofern der Meßumformer 12 eine Verschmutzung erkennt bzw. feststellt, daß die Kalibrierung nicht mehr stimmt, werden die Sensorhalterungen 22, 24 in Pfeilrichtung 32 in den Gehäuseabschnitt 28 und 30 der Armaturen 14, 16 eingefahren. Die Öffnung zum Durchtritt der Sensorhalterungen 22, 24 wird dann geschlossen. Innerhalb der Armaturabschnitte 28, 30 erfolgt dann eine Kalibrierung oder Reinigung der Sensoren. Nach Kalibrierung oder Reinigung werden diese in Pfeilrichtung 26 wieder in den Prozeß eingekoppelt.
Die Verbindung der Spektrometer mit dem Meßumformer 12 über die Leitungen 28 erfolgt dabei über analoge elektrische Leitungen.
Die Armaturen 14, 16 sind mit ihren Flanschen 16f bzw. 14f an den Rohrleitungen und an entsprechenden Stutzen derselben bzw. an Stutzen in einem Reaktor angebracht und hiermit festgelegt.
Auf diese Weise kann eine kontinuierliche In-situ-Messung der Spektren von chemischen Produkten vorgenommen werden und damit der Produktionsprozeß überwacht werden. Eine zeitaufwendige und für die damit hantierenden Personen gefährliche Probenentnahme, die darüber hinaus keine kontinuierliche Prozeßnachführung ermöglicht, kann somit vermieden werden. Auf diese Weise, durch ständige Kontrolle der Spektren, können Produktionsprozesse wirtschaftlicher gestaltet werden und es kann gegebenfalls die Produktionszeit verringert werden, da bereits zu einem frühen Zeitpunkt erkannt werden kann, daß eine ausreichende Ausbeute eines Stoffes vorliegt.

Claims

1. Prozeßmeßstelle umfassend mindestens eine Spektrometer sowie einen damit verbundenen Meßumformer (12) zum Aufnehmen, Verarbeiten und Weiterleiten von Meßsignalen des mindestens einen Spektrometers, wobei das Spektrometer in einer Armatur (14, 16) zum Einführen in ein Prozeßfluid angeordnet ist und die vom Spektrometer erzeugten Daten zur Steuerung eines Prozesses dienen, wobei die Armatur (14, 16) ein Gehäuse (18, 20) zur Aufnahme des Spektrometers und zur Festlegung der Armatur (14, 16) an einem das Prozeßfluid beinhaltenden Prozeßbehälter umfaßt sowie eine mit dem Spektrometer zusammenwirkende Sensorhalterung mit eingebautem Sensor (22, 24), die axial verschieblich in der Armatur (14, 16) geführt ist und wobei die Sensorhalterung (22, 24) im ausgefahrenen Zustand in das Prozeßfluid hineinragt.

2. Prozeßmeßstelle nach Anspruch 1, wobei der Spektrometer in-situ-, inline- und/oder kontinuierliche Meßsignale liefert.

3. Prozeßmeßstelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorhalterung (22, 24) eine Lichtleiteinrichtung umfaßt, insbesondere Lichtwellenleiter, die zur optischen Ankopplung des Spektrometers an das Prozeßfluid dienen.

4. Prozeßmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Spektrometer ein ATOF-Kristallspektrometer oder ein Gitterspektrometer dient.

5. Prozeßmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ankopplung an den Prozeß über Absorption oder ATR erfolgt.

6. Prozeßmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Spektrometer mit dem Meßumformer (12) elektrisch oder optisch verbunden ist.

7. Prozeßmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich die Sensorhalterung (22, 24) in der eingezogenen Stellung in einer Reinigungs- und/oder Kalibrationsstellung des Sensors im Gehäuse (28, 30) befindet.

8. Prozeßmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Spektrometer in der Armatur (14, 16) austauschbar ist.

9. Prozmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Reinigungs- und/oder Kalibrierintervalle durch den Meßumformer (12) steuerbar sind.

10. Prozeßmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Meßumformer (12) mit einer Prozeßleitstelle verbunden ist.

11. Prozeßmeßstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei an den Meßumformer (12) weitere Sensoren ankoppelbar sind.

12. Prozeßmeßstelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Mittel zur gemeinsamen Nutzung einer identischen Bedienoberfläche im Meßumformer (12) und einem extern angeschlossenen PC die Verwendung des gleichen Device Type Manager von beiden dient.

13. Prozeßmeßstelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Meßumformer (12) mit einem externen PC über eine Schnittstelle nach dem Field Device Tool-Konzept verbunden ist.