-
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren eines Trennschichtsensors, einen Trennschichtsensor, eine Sedimentationsanlage sowie ein Regelverfahren einer Sedimentationsanlage.
-
Zur Detektion von Trennschichten in Behältern, welche mit Flüssigkeiten gefüllt sind, werden Trennschichtsensoren eingesetzt, die Schallsignale abgeben. Hierzu werden diese Sensoren in die Flüssigkeit eingetaucht. Diese Schallsignale breiten sich in der Flüssigkeit aus und werden beim Auftreffen auf eine Trennschicht in der Flüssigkeit, bzw. im Behälter, zum Beispiel aus Feststoffpartikeln, zum Sensor zurück reflektiert.
-
Das Aussenden und Detektieren der Schallsignale erfolgt in der Regel in vertikaler Richtung bezogen auf den Behälterboden. Je nach Bedarf soll der Sensor die Trennschichthöhe über dem Behälterboden oder die Trennschichttiefe bezogen auf einen Referenzpunkt, i.d.R. die Wasseroberfläche, berechnen.
-
Bekannte Sensoren ermitteln hierfür zunächst die Distanz zwischen Sensor und Trennschicht basierend auf die vom Benutzer händisch in den Sensor eingegebene Parameter „Tanktiefe“ und „Eintauchtiefe des Sensors in die Flüssigkeit“. Die Parameter „Tanktiefe“ und „Eintauchtiefe des Sensors“ müssen vom Benutzer somit vor Ort für jeden Sensor zuvor ermittelt werden.
-
Diese händische Parameter-Ermittlung und Parameter-Eingabe durch den Benutzer ist mit einem großen Arbeitsaufwand verbunden, insbesondere, wenn eine Vielzahl an Sensoren verwendet werden. Ebenso ist es für den Benutzer nicht einfach, den Parameter „Eintauchtiefe“ exakt von Hand zu ermitteln. Zudem eignet sich ein derartiger Sensor nur für Anwendungen, in welchen der Füllstand der Flüssigkeit im Behälter, also die Eintauchtiefe nicht variiert. Eine Verwendung dieser Sensoren für Anwendungen wie die sogenannten „Sequencing Batch Reactors“ mit variierendem Füllstand ist somit nicht möglich.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, welches eine zuverlässige, komfortable und vielseitige Verwendung eines Trennschichtsensors ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Betriebsverfahren eines Trennschichtsensors gemäß Anspruch 1.
-
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Anordnen eines Trennschichtsensors mit einem Schallemitter, einem Schalldetektor sowie einer Steuereinheit in einem Behälter, welcher mit einem Messmedium gefüllt ist, so dass der Trennschichtsensor mit dem Messmedium in Kontakt ist, wobei der Trennschichtsensor in Richtung einer Sedimentschicht im Behälter ausgerichtet ist,
- - Emittieren eines ersten Schallsignals mit einer ersten Frequenz durch den Schallemitter,
- - Detektieren einer ersten Signalantwort des ersten Schallsignals, durch den Schalldetektor,
- - Emittieren eines zweiten Schallsignals mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz durch den Schallemitter,
- - Detektieren einer zweiten Signalantwort des zweiten Schallsignals durch den Schalldetektor,
- - Auswerten der ersten Signalantwort und der zweiten Signalantwort durch die Steuereinheit,
- - Ermitteln eines Bodenabstands und eines Sedimentabstands des Trennschichtsensors durch die Steuereinheit basierend auf dem Schritt des Auswertens,
- - Ermitteln einer Sedimentdicke durch die Steuereinheit basierend auf dem Bodenabstand und dem Sedimentabstand,
- - Ausgeben der Sedimentdicke durch die Steuereinheit.
-
Anhand des erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird ermöglicht, dass die Parameter „Tanktiefe“ und „Eintauchtiefe“ durch den Benutzer nicht mehr ermittelt werden müssen. Eine schwankende Eintauchtiefe wird vom Trennschichtsensor erfasst und ermöglicht eine höchst genaue Messwertberechnung. Der Trennschichtsensor ist in der Lage, den Füllstand im Behälter, also den Wasserspiegel zu berechnen. Durch die Auswertung der Füllstandsänderung bzw. der Änderungsrate kann die Zulaufmenge in den Behälter sowie die Ablaufmenge aus dem Behälter errechnet werden. Der Trennschichtsensor liefert damit einen kontinuierlichen Füllstandmesswert. Der Trennschichtsensor kann somit als Proportional-Glied der Regelungstechnik verwendet werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Betriebsverfahren des Weiteren einen Schritt des Ermittelns eines Wasserspiegelabstands des Trennschichtsensors durch die Steuereinheit basierend auf dem Schritt des Auswertens der ersten Signalantwort und der zweiten Signalantwort, sowie einen Schritt des Ermittelns eines Wasserspiegels basierend auf dem Bodenabstand und dem Wasserspiegelabstand durch die Steuereinheit, sowie einen Schritt des Ausgebens des Wasserspiegels.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Auswertens der ersten Signalantwort und der zweiten Signalantwort eine Subtraktion der ersten Signalantwort von der zweiten Signalantwort und/oder eine Tiefpassfilterung und eine Addition der ersten Signalantwort und der zweiten Signalantwort umfasst.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Ermittelns der Sedimentdicke eine Subtraktion des ermittelten Sedimentabstands vom ermittelten Bodenabstand.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Ermittelns des Wasserspiegelabstands eine Subtraktion der ersten Signalantwort und der zweiten Signalantwort.
-
Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch einen Trennschichtsensor für eine Sedimentationsanlage gemäß Anspruch 6.
-
Der erfindungsgemäße Trennschichtsensor umfasst:
- - einen Schallemitter, welcher dazu geeignet ist, mindestens ein erstes Schallsignal mit einer ersten Frequenz zu erzeugen und ein zweites Schallsignal mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz zu erzeugen,
- - einen Schalldetektor, welcher dazu geeignet ist, mindestens eine erste Signalantwort des ersten Schallsignals und eine zweite Signalantwort des zweiten Schallsignals zu detektieren,
- - eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mit dem Schallemitter und dem Schalldetektor verbunden ist, und dazu geeignet ist, die erste Signalantwort und die zweite Signalantwort auszuwerten.
-
Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Sedimentationsanlage gemäß Anspruch 7.
-
Die erfindungsgemäße Sedimentationsanlage umfasst:
- - einen erfindungsgemäßen Trennschichtsensor,
- - einen Behälter zum Empfangen eines Messmediums, wobei der Trennschichtsensor relativ zum Behälter derart angeordnet ist, dass der Trennschichtsensor dazu geeignet ist, in das Messmedium eingetaucht zu sein,
- - einen Messmediumszulauf zum Befüllen des Behälters mit Messmedium,
- - einen Messmediumsablauf zum Abführen an Messmedium vom Behälter.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Messmediumszulauf ein Zulaufventil und der Messmediumsablauf ein Ablaufventil auf, wobei die Sedimentationsanlage des Weiteren eine Regeleinheit aufweist und die Regeleinheit mit dem Zulaufventil, dem Ablaufventil und der Steuereinheit des Trennschichtsensors verbunden ist, und dazu geeignet ist, das Befüllen und Entleeren des Behälters mit Messmedium zu regeln.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Sedimentationsanlage des Weiteren einen Gaseinlass mit einem Gaseinlassventil zum Begasen des Messmediums auf, wobei die Regeleinheit mit dem Gaseinlassventil verbunden ist, und dazu geeignet ist, das Begasen des Messmediums zu regeln.
-
Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Regelverfahren gemäß Anspruch 10.
-
Das erfindungsgemäße Regelverfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Sedimentationsanlage,
- - Betreiben des erfindungsgemäßen Trennschichtsensors,
- - Regeln des Zulaufventils und des Ablaufventils abhängig von dem durch den Trennschichtsensor ermittelten Wasserspiegel.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Sedimentationsanlage einen Gaseinlass mit einem Gaseinlassventil zum Begasen des Messmediums auf, wobei die Regeleinheit mit dem Gaseinlassventil verbunden ist, und dazu geeignet ist, das Begasen des Messmediums zu regeln,
wobei das Regelverfahren des Weiteren einen Schritt des Begasens des Messmediums 2 mittels des Gaseinlassventils aufweist, wobei das Begasen abhängig von der Sedimentdicke und/oder dem Wasserspiegel durchgeführt wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Regelverfahren des Weiteren einen Schritt des Ermittelns eines Betriebszustands der Sedimentationsanlage durch die Steuereinheit basierend auf der Auswertung der ersten Signalantwort und/oder der zweiten Signalantwort.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- - 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sedimentationsanlage mit einem erfindungsgemäßen Trennschichtsensor,
- - 2: eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Sedimentationsanlage mit dem Trennschichtsensor aus 1,
- - 3: eine schematische Darstellung einer vom Trennschichtsensor detektierten ersten Signalantwort,
- - 4: eine schematische Darstellung einer vom Trennschichtsensor detektierten zweiten Signalantwort,
- - 5: eine schematische Darstellung einer vom Trennschichtsensor detektierten dritten Signalantwort.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Sedimentationsanlage 1 mit einem erfindungsgemäßen Trennschichtsensor 10. Die Sedimentationsanlage 1 wird zum Beispiel in einer Kläranlage eingesetzt.
-
Die Sedimentationsanlage 1 umfasst einen Behälter 20 zum Empfangen eines Messmediums 2. Der Behälter 20 ist zum Beispiel ein Klärschlammbecken oder ein sogenannter „Sequencing Batch Reactor“ oder ein anderes Gefäß. Der Behälter 20 ist zum Beispiel oben geöffnet, so dass Klärgase entweichen können. Der Behälter 20 ist dazu geeignet, dass sich an seinem Boden bzw. Grund durch das Messmedium 2 eine Sedimentschicht 3 ablagert. Die Sedimentschicht 3 ist Teil des Messmediums 2 und entsteht zum Beispiel durch das Absinken schwerer Partikel im Messmedium 2, also ein Dekantieren des Messmediums 2.
-
Die Sedimentationsanlage 1 umfasst einen Messmediumszulauf 21. Der Messmediumszulauf 21 kann im Behälter 20 integriert sein, wie in 1 dargestellt, oder aber zum Beispiel auch überhalb oder im Behälter 20, zum Beispiel mittels eines Schlauchs o.ä. kontaktlos bzgl. dem Behälter angeordnet sein, um das Messmedium 2 dem Behälter 20 zuzuführen. Der Messmediumszulauf 21 umfasst vorzugsweise ein Zulaufventil 22 zur Regelung der Menge an Messmedium 2 während dem Befüllen des Behälters 20 mit Messmedium 2.
-
Die Sedimentationsanlage 1 umfasst des Weiteren einen Messmediumsablauf 23. Der Messmediumsablauf 23 ist vorzugsweise im Behälter 20 integriert, beispielsweise mittels eines Ablassrohres. Der Messmediumsablauf 23 kann aber auch durch den Rand des Behälters 20 definiert sein, so dass ein Überlaufen des Behälters 20 ein Abführen von Messmedium 2 aus dem Behälter 20 ermöglicht. Vorzugsweise ist am Messmediumsablauf 23 ein Ablaufventil 24 angeordnet, um eine Regelung der Menge an Messmedium 2 während dem Abführen an Messmedium 2 zu ermöglichen.
-
Wie in 2 dargestellt, kann die Sedimentationsanlage 1 des Weiteren einen Gaseinlass 26 aufweisen. Der Gaseinlass 26 ist zum Beispiel im Behälter 20 integriert, beispielsweise mittels eines Rohres. Der Gaseinlass 26 kann aber auch durch eine vom Behälter 20 unabhängige Gasleitung, zum Beispiel durch einen von oben in den oben offenen Behälter 20 eingeführten Schlauch oder Rohr realisiert sein. Vorzugsweise weist der Gaseinlass 26 ein Gaseinlassventil 27 auf, um eine Regelung der in das Messmedium 2 eingeführten Gasmenge zu regeln. Der Gaseinlass 26 ist besonders vorteilhaft, wenn es sich bei der Sedimentationsanlage 1 um einen sogenannten „Sequencing Batch Reactor“ handelt.
-
Gemäß einer Ausführungsform, welche mit allen beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, umfasst die Sedimentationsanlage 1 vorzugsweise, wie in 1 und 2 dargestellt, eine Regeleinheit 25, welche mit dem Zulaufventil 22 und dem Ablaufventil 24 verbunden ist, und ist dazu geeignet, das Befüllen und Entleeren des Behälters 20 mit Messmedium 2 zu regeln. Die Regeleinheit 25 ist ebenso mit dem Gaseinlassventil 27 verbunden, falls ein Gaseinlassventil 27 vorhanden ist, und ist dazu geeignet, einen Gasstrom am Gaseinlass 26 zu regeln. Die Regeleinheit 25 ist über einen kabelgebundenen oder kabellosen Kommunikationskanal mit dem Zulaufventil 22, dem Ablaufventil 24 und, falls vorhanden, dem Gaseinlassventil 27 verbunden. Die Regeleinheit 25 ist dazu geeignet, die Sedimentationsanlage 1 als sogenannten „Sequencing Batch Reactor“ zu betreiben, worauf weiter unten im Detail eingegangen wird. Die Regeleinheit 25 ist vorzugsweise auch mit dem Trennschichtsensor 10 verbunden, um zum Beispiel das Zulaufventil 22, das Ablaufventil 24 und das Gaseinlassventil 27 in Abhängigkeit von dem Trennschichtsensor 10 zu steuern.
-
Die im folgenden verwendeten Begriffe Wasseroberfläche, Wasserspiegel, Wasserspiegelabstand sind nicht nur auf das Messmedium Wasser, sondern auf alle möglichen Messmedien zu verstehen.
-
Der Trennschichtsensor 10 umfasst einen Schallemitter 11, einen Schalldetektor 12 und eine Steuereinheit 13. Der Schallemitter 11 und Schalldetektor 12 können auch in einer gemeinsamen Einheit, also als Transceiver 11, 12 ausgestaltet sein. In diesem Fall fungiert der Transceiver 11, 12 also zum einen als Schallemitter und zum anderen als Schalldetektor. Wird im Folgenden der Schallemitter 11 oder der Schalldetektors 12 erwähnt, so ist immer auch gleichzeitig der Transceiver gemeint. Selbstverständlich können alle Ausführungsformen auch mit einem Transceiver realisiert werden.
-
Der Schallemitter 11 und Schalldetektor 12 sind mit der Steuereinheit 13 verbunden. Der Trennschichtsensor 10 ist vorzugsweise mittels einer Halterung 14 am Behälter 20 oder einer anderen Vorrichtung, beispielsweise eine sich über dem Behälter 20 angeordneten Brücke (nicht dargestellt), befestigt. Der Trennschichtsensor 10 ist somit relativ zum Behälterboden fest angeordnet. Der Trennschichtsensor 10 kann jedoch auch mobil relativ zum Behälter 20 angeordnet sein, da der Trennschichtsensor 10 dazu geeignet ist, den Bodenabstand BA sowie den Wasserspiegelabstand WA selbst zu bestimmen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann der Trennschichtsensor 10 auch schwimmend oder frei tauchend im Messemedium 2 angeordnet sein.
-
Der Schallemitter 11 ist dazu geeignet, mindestens ein erstes Schallsignal S1 mit einer ersten Frequenz zu erzeugen und ein zweites Schallsignal S2 mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz zu erzeugen.
-
Der Schalldetektor 12 ist dazu geeignet, mindestens eine erste Signalantwort A1, welche durch das erste Schallsignal S1 initiiert wurde, sowie eine zweite Signalantwort A2, welche durch das zweite Schallsignal S2 initiiert wurde, zu detektieren. Selbstverständlich ist der Schalldetektor 12 auch dazu geeignet, Signale mit anderen Frequenzen zu detektieren. Gemäß einer Ausführungsform ist der Schalldetektor 12 mit dem Schallemitter 11 baugleich. Dies bedeutet, dass der Schalldetektor 12 auch als Schallemitter 11 verwendbar ist (siehe 2). Gemäß dieser Ausführungsform ist somit nur ein Schallemitter 11 bzw. Schalldetektor 12 notwendig.
-
Die Steuereinheit 13 ist dazu geeignet, den Schallemitter 11 zu steuern, so dass das erste Schallsignal S1 und/oder das zweite Schallsignal S2 generiert wird. Zum Beispiel werden so die Schallsignale S1, S2 mittels der Steuereinheit 13 bezüglich ihrer zeitlichen Abstände, bezüglich ihrer Amplituden und bezüglich ihrer Dauer gesteuert.
-
Das erste Schallsignal S1 ist ein niederfrequentes Schallsignal. Unter „niederfrequent“ wird eine Frequenz geringer 300 kHz, vorzugsweise zwischen 50 kHz und 200 kHz, besonders bevorzugt zwischen 80 kHz und 110 kHz verstanden. Das erste Schallsignal S1 ermöglicht, durch seine niedere Frequenz, dickflüssige Anteile des Messmediums 2 und/oder Ablagerungen des Messmediums 2, also Ausflockungen, oder Ablagerungen von Partikel am Boden des Behälters 20 zu durchdringen. Somit wird das erste Schallsignal S1 hauptsächlich am Boden des Behälters 20 reflektiert.
-
Das zweite Schallsignal S2 ist ein hochfrequentes Schallsignal. Unter „hochfrequent“ wird eine Frequenz größer 300 kHz, vorzugsweise zwischen 500 kHz und 2000 kHz verstanden, besonders bevorzugt eine Frequenz von 675 kHz. Das zweite Schallsignal S2 ermöglicht, durch seine hohe Frequenz, an Ablagerungen, also zum Beispiel einer Sedimentschicht 3 reflektiert und absorbiert zu werden. Somit wird das zweite Schallsignal S2 hauptsächlich an der Sedimentschicht 3 reflektiert.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer vom Schalldetektor 12 detektieren ersten Signalantwort A1. An der Abszisse ist die Amplitude A ablesbar und an der Ordinate T ist die Laufzeit der Signalantwort A1 ablesbar. Basierend auf der Signalantwort A1 ermittelt die Steuereinheit 13 den Bodenabstand BA zwischen dem Trennschichtsensor 10 und dem Boden des Behälters 20, sowie den Wasserspiegelabstand WA zwischen dem Trennschichtsensor 10 und dem Wasserspiegel W des Messmediums 2. Die erste Signalantwort A1 weist eine große Amplitude A am Behälterboden auf, da das niederfrequente erste Schallsignal S1 wenig von der Sedimentschicht 3 im Messmedium 2 absorbiert und reflektiert wird. Der Anteil der Signalantwort A1, welche die höchste Amplitude aufweist wurde also am Behälterboden reflektiert. Anhand der Laufzeit bis zur höchsten Amplitude und der Schallgeschwindigkeit wird also der Abstand zum Behälterboden, also der Bodenabstand BA ermittelt. Der Behälterboden ist in 3 durch eine horizontale gestrichelte Linie gekennzeichnet. Der Beginn der Sedimentschicht 3 ist durch eine horizontale gepunktete Linie dargestellt. Alle Signalanteile der ersten Signalantwort A1, welche zeitlich gesehen nach dem Zeitpunkt (gestrichelte horizontale Linie in 3), welcher dem Behälterboden entspricht, gemessen werden, sind weitere Reflexions- und Mehrfachreflexionssignale. Ein Ausschnitt einer Mehrfachreflexion MR ist jeweils in 3 und 4 durch einen gestrichelten Rahmen schematisch dargestellt. Es lässt sich hier eine Wiederholung des Abschnitts der Signalantwort, welche den Beginn der Sedimentschicht und den Behälterboden widerspiegelt, erkennen. Diese weiteren Reflexionssignale treten zum Beispiel an der Wasseroberfläche, an der Sedimentschicht oder am Behälterboden auf. Anhand der Reflexionssignale lässt sich der Wasserspiegelabstand WA ermitteln. In 3 ist eine zweite Bodenreflexion BR durch das an der Wasseroberfläche und schließlich erneut am Boden des Behälters 20 reflektierte erste Schallsignal S1 schematisch dargestellt. Der umrahmte Ausschnitt der Mehrfachreflexion MR zeigt eindeutig eine Korrelation mit den zeitlich früher detektierten zwei Signalpeaks, welche den Beginn der Schlammsicht (gepunktete Linie) und den Boden des Behälters (gestrichelte Linie) darstellen. Der Versatz in der Laufzeit der beiden korrelierten Signalabschnitte kommt durch den längeren Signalweg zustande (Emitter zu Boden, Boden zu Wasseroberfläche, Wasseroberfläche zu Boden, Boden zu Detektor). Aus der Differenz der Laufzeit lässt sich somit die Höhe der Wassersäule über dem Sensor, also den Wasserspiegelabstand WA bestimmen.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vom Schalldetektor 12 detektieren zweiten Signalantwort A2. Die zweite Signalantwort A2 weist eine größere Amplitude verglichen zur ersten Signalantwort A1 an der Trennschicht zwischen dünnflüssigem Messmedium 2 und dickflüssigem Messmedium 2, also der Sedimentschicht 3 auf, da das hochfrequente zweite Schallsignal S2 stärker an der Sedimentschicht 3 im Messmedium 2 reflektiert und von dieser stärker absorbiert wird als das erste Schallsignal S1. Auch hier ist eine Wiederholung der Signalanteile, welche zeitlich vor dem Zeitpunkt, welcher dem Behälterboden entspricht, erkennbar (gestrichelter Rahmen mit einem Ausschnitt einer Mehrfachreflexion MR). Diese Wiederholung der Signalanteile der ersten Signalantwort A1 beruht, wie zur 3 beschrieben, auf einer Reflexion des zweiten Schallsignals an der Wasseroberfläche.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung einer vom Schalldetektor 12 detektieren dritten Signalantwort A3. Die dritte Signalantwort A3 zeichnet sich durch einen Signalbereich mit Rauschanteil R aus. Das der dritten Signalantwort A3 zugrundeliegende Schallsignal ist das erste Schallsignal S1 und/oder zweite Schallsignal S2. Diese dritte Signalantwort A3 wird zum Beispiel vom Schalldetektor 12 detektiert, falls ein Gas in den Behälter 20 eingelassen wird, wie dies in einem „Sequencing Batch Reactor“ der Fall ist. Die Steuereinheit 13 ist dazu geeignet, beim Erkennen eines Rauschanteils R das Vorhandensein von Gas im Messmedium 2 zu erkennen. Somit wird eine Identifikation des aktuellen Betriebsmodus der Sedimentationsanlage 1 durch den Trennschichtsensor 10 erkennbar bzw. überprüfbar.
-
Die Steuereinheit 13 ist dazu geeignet, die erste Signalantwort A1, die zweite Signalantwort A2 und die dritte Signalantwort A3 auszuwerten. Die Steuereinheit 13 weist zum Beispiel einen Speicher 15 auf (siehe 2). Somit ist die Steuereinheit 13 dazu geeignet, zum Beispiel die detektierten Signalantworten abzuspeichern. Im Speicher 15 sind beispielsweise Referenzsignale, also zu erwartende Signalantworten hinterlegt, mit welchen die detektierten Signalantworten durch die Steuereinheit 13 verglichen werden können. Im Speicher 15 sind zum Beispiel auch Schallgeschwindigkeiten für verschiedene Messmedien hinterlegt.
-
Die Steuereinheit 13 kann auch mit einem Kommunikationsmodul 16 ausgestattet sein, zum Beispiel ein kabelloses oder kabelgebundenes Kommunikationsmodul 16, um die Rolle der Regeleinheit 25 zu übernehmen (siehe 2). In diesem Fall ist also keine Regeleinheit 25 notwendig, da das Zulaufventil 22, das Ablaufventil 24 und, falls vorhanden das Gaseinlassventil 27 durch die Steuereinheit 13 gesteuert werden.
-
Im Folgenden wird auf das Betriebsverfahren des Trennschichtsensors 10 im Detail eingegangen.
-
In einem ersten Schritt wird der Trennschichtsensor 10 in dem Behälter 20 angeordnet. Das Anordnen umfasst ein festes oder mobiles Anordnen im Behälter 20, insbesondere im Messmedium 2. Der Trennschichtsensor 10 wird zum Beispiel derart am Behälter 20 befestigt, insbesondere mittels der Halterung 14, dass der Trennschichtsensor 10 mit dem Messmedium 2 in Kontakt ist. Der Trennschichtsensor 10 ist in Richtung des Bodens des Behälters 20, also in Richtung einer möglichen Sedimentschicht 3 ausgerichtet.
-
Der Behälter 20 wird vor, während oder nach dem Anbringen des Trennschichtsensors 10 am Behälter 20 mit dem Messmedium 2 gefüllt.
-
Dann wird durch den Schallemitter 11 das erste Schallsignal S1 mit einer ersten Frequenz emittiert. Wie oben ausgeführt, ist das erste Schallsignal S1 ein niederfrequentes Signal. Somit wird das erste Schallsignal S1 nur gering am Messmedium 2 bzw. an einer Sedimentschicht 3 reflektiert oder absorbiert. Das erste Schallsignal S1 wird also hauptsächlich am Boden des Behälter 20 reflektiert.
-
Anschließend wird die erste Signalantwort A1 des ersten Schallsignals S1 durch den Schalldetektor 12 detektiert. Die Steuereinheit 13 speichert die erste Signalantwort A1 zum Beispiel in ihrem Speicher 15 ab, um später eine Auswertung der ersten Signalantwort A1 vorzunehmen. Selbstverständlich kann die erste Signalantwort A1 auch umgehend ausgewertet werden.
-
Als nächstes erfolgt ein Emittieren des zweiten Schallsignals S2 mit einer von der ersten Frequenz des ersten Schallsignals S1 verschiedenen zweiten Frequenz durch den Schallemitter 11. Die zweite Frequenz ist, wie oben ausgeführt, eine hohe Frequenz. Somit wird das zweite Schallsignal S2 besonders an der Sedimentschicht 3 reflektiert bzw. absorbiert.
-
Nun erfolgt das Detektieren der zweiten Signalantwort A2 des zweiten Schallsignals S2 durch den Schalldetektor 12. Die Steuereinheit 13 speichert die zweite Signalantwort A2 zum Beispiel in dem Speicher 15 ab, um später eine Auswertung vorzunehmen. Selbstverständlich kann die zweite Signalantwort A2 auch umgehend ausgewertet werden.
-
Selbstverständlich kann auch als erstes das zweite Schallsignal S2 emittiert und detektiert werden, und anschließend das erste Schallsignal S1 emittiert und detektiert werden.
-
Die oben genannten Verfahrensschritte können auch in einer anderen Reihenfolge oder gleichzeitig stattfinden, sofern dies technisch möglich ist.
-
In einem weiteren Schritt wird die erste Signalantwort A1 und die zweite Signalantwort A2 durch die Steuereinheit 13 ausgewertet. Hierbei führt die Steuereinheit 13 zum Beispiel eine Subtraktion der ersten Signalantwort A1 von der zweiten Signalantwort A2 durch. In einer alternativen Ausführungsform, welche mit der zuvor genannten kompatibel ist, führt die Steuereinheit 13 eine Frequenzfilterung, zum Beispiel eine Hochpassfilterung oder eine Tiefpassfilterung mit Addition der zwei Signalantworten durch. Gemäß einer alternativen Ausführungsform geschieht die Auswertung der Signalantworten A1, A2 z.B. mittels Fourier-Transformation, insbesondere mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT). Hierbei werden jeweils die Signalantworten A1, A2 im Zeitbereich, also über die Tanktiefe verteilt, in viele kleine Abschnitte unterteilt, welche wiederum mittels FFT in den Frequenzbereich transformiert werden. Im Frequenzbereich wird dann die „Intensität“ diskreter Frequenzen untersucht (z.B. 100 kHz und 675 kHz).
-
In einem nachfolgenden Schritt ermittelt die Steuereinheit 13 einen Bodenabstand BA zwischen dem Trennschichtsensor und dem Behälterboden des Behälters 20. Während diesem Schritt oder nach diesem Schritt ermittelt die Steuereinheit einen Sedimentabstand SA zwischen dem Trennschichtsensor 10 und der Sedimentschicht 3.
-
Der Bodenabstand BA des Trennschichtsensors 10 ist der Abstand zwischen dem Schallemitter 11 bzw. Schalldetektor 12 und dem Boden des Behälters 20, also dort wo sich die Sedimentschicht 3 ablagert. Bei der Ermittlung des Bodenabstands BA wird ermittelt, nach welcher Laufzeit das erste Schallsignal S1 am Behälterboden angekommen ist. Hierzu wird die Signalamplitude der ersten Signalantwort A1, also welche durch das niederfrequente erste Schallsignal S1 generiert wurde, auf ein Maximum hin untersucht. Basierend auf diese Laufzeit bis zum Maximum und der bekannten Schallgeschwindigkeit im Messmedium wird die Tiefe des Behälterbodens ermittelt (durch eine gestrichelte Linie in den 3 bis 5 dargestellt).
-
Der Sedimentabstand SA des Trennschichtsensors 10 ist der Abstand zwischen dem Schallemitter 11 bzw. Schalldetektor 12 und dem Beginn der Sedimentschicht 3 des Messmediums 2 (durch eine gepunktete horizontale Linie in 3 und 4 dargestellt). Der Beginn der Sedimentschicht 3 ist vorzugsweise eine Trennschicht zwischen flüssigem Messmedium 2 und festem bzw. dickflüssigem Messmedium 2. Zur Ermittlung des Sedimentabstands SA wird ermittelt, nach welcher Laufzeit die Signalamplitude der zweiten Signalantwort A2, also welche durch das zweite Schallsignal S2 generiert wurde, am höchsten ist. Hierzu wird beispielsweise ein Bereich des zweiten Schallsignals S2, nämlich der Bereich, in welchem sich der Boden des Behälters 20 befindet, ausgeblendet.
-
In einem nächsten Schritt wird durch die Steuereinheit 13 ermittelt, welche Sedimentdicke D die Sedimentschicht 3 des Messmediums 2 aufweist. Hierzu wird zum Beispiel der Sedimentabstand SA von dem Bodenabstand BA subtrahiert.
-
In einem weiteren Schritt wird durch die Steuereinheit 13 die Sedimentdicke D ausgeben. Diese Ausgabe kann zum Beispiel mittels Kommunikation der Sedimentdicke D an eine Leitstelle oder an ein Feldgerät stattfinden. Des Weiteren ist die Steuereinheit 13 dazu geeignet, alle empfangenen und ausgewerteten Informationen an eine Leitstelle oder an ein Feldgerät oder ein mobiles Kontrollgerät weiterzuleiten. Alle Informationen können selbstverständlich auch im Speicher 15 der Steuereinheit 13 abgelegt werden.
-
In einem weiteren optionalen Schritt, wird ein Wasserspiegelabstand WA des Trennschichtsensors 10 durch die Steuereinheit 13 basierend auf dem Schritt des Auswertens der ersten Signalantwort A1 und der zweiten Signalantwort A2 durchgeführt. Hierfür wird der Auswertebereich der Signalantworten A1 und A2 erweitert und einfache Reflexionen sowie Mehrfachreflexionen zwischen den Trennsichten in ihrer Intensität, ihrer zeitlichen Abfolge sowie ihrer Unterschiede/Abweichungen analysiert. Bei der ersten Signalantwort A1 kann hierbei eine direkte Reflexion des zuvor registrierten Bodenechos an der Wasseroberfläche gemessen werden. In 3 ist diese direkte Reflexion, also eine zweite Bodenreflexion des ersten Schallsignals S2 durch den gestrichelten Rahmen (zweites Signalmaximum im umrahmten Signalabschnitt) gekennzeichnet. Sowohl mit der Signalantwort A1 als auch A2 lassen sich Mehrfachreflexionen zwischen der zu detektierenden Trennschicht und der Wasseroberfläche messen. Da das Hauptecho eine erste Laufzeit vom Sensor bis zu Trennschicht hat und die Mehrfachreflexion um eine zweite Laufzeit aufgrund der Eintauchtiefe des Trennschichtsensors 10 im Messmedium 2 erweitert ist, lasst sich durch den Vergleich der ersten und der zweiten Laufzeit die Eintauchtiefe bestimmen.
-
Anschließend folgt vorzugsweise ein Schritt des Ermittelns eines Wasserspiegels W basierend auf dem Bodenabstand BA und dem Wasserspiegelabstand WA durch die Steuereinheit 13. Hierzu wird zum Beispiel der Bodenabstand BA und der Wasserspiegelabstand WA addiert. Der Wasserspiegel Wwird nach dem Ermitteln vorzugsweise an ein Feldgerät oder andres Gerät ausgegeben. Der Wasserspiegel W wird vorzugsweise auch im Speicher 15 der Steuereinheit 13 hinterlegt.
-
Im Folgenden wird ein Regelverfahren der Sedimentationsanlage 1 beschrieben.
-
In einem ersten Schritt wird die Sedimentationsanlage 1 bereitgestellt. Die Sedimentationsanlage 1 ist zum Beispiel Teil einer Kläranlage mit mehreren Behältern bzw. Becken, welche verschiedene Funktionen erfüllen. In diesem Fall sind beispielsweise stromaufwärts sowie stromabwärts zum Behälter 20, also zur Sedimentationsanlage 1, weitere Becken angeordnet.
-
In jedem Fall weist die Sedimentationsanlage 1 gemäß diesem Regelverfahren jedoch zumindest das oben beschriebene Zulaufventil 22 und Ablaufventil 24 auf.
-
Ist die Sedimentationsanlage 1 zum Beispiel ein sogenannter „Sequencing Batch Reactor“, so sind vorzugsweise keine Behälter stromaufwärts oder stromabwärts angeordnet.
-
In einem weiteren Schritt wird der Trennschichtsensor 10 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen oder einer Kombination der beschriebenen Ausführungsformen gemäß einem der oben beschriebenen Betriebsverfahren oder eine Kombination der oben beschriebenen Betriebsverfahren betrieben.
-
Als nächstes wird das Zulaufventil 22 und das Ablaufventil 24 abhängig von dem durch den Trennschichtsensor 10 ermittelten Wasserspiegelabstand WA und/oder Bodenabstand BA bzw. Wasserspiegel W geregelt. Hierbei wird zum Beispiel von dem Trennschichtsensor 10 in regelmäßigen Abständen der Wasserspiegel W ermittelt und sobald der Wasserspiegel W einen oberen Grenzwert überschritten hat, das Ablaufventil 24 geöffnet, und/oder sobald der Wasserspiegel W einen unteren Grenzwert unterschritten hat, das Zulaufventil 22 geöffnet. Selbstverständlich sind auch andere Regelarten möglich.
-
In einem optionalen Schritt, welcher mit den zuvor genannten kompatibel ist, insbesondere, wenn die Sedimentationsanlage 1 ein „Sequencing Batch Reactor“ ist, weist das Regelverfahren einen Schritt des Begasens des Messmediums 2 mittels des Gaseinlassventils 27 auf. Hierbei wird das Gaseinlassventil 27 zum Beispiel nach einer vorbestimmten Zeitspanne geöffnet; oder das Gaseinlassventil 27 wird beim Erreichen einer vorbestimmten Sedimentdicke D und/oder beim Erreichen eines vorbestimmten Wasserspiegels W geöffnet. Das Begasen kann zum Beispiel auch nach oder beim Einlassen von Messmedium 2 erfolgen.
-
In einem weiteren optionalen Schritt, welcher mit den zuvor genannten Schritten kompatibel ist, wird durch die Steuereinheit 13 der aktuelle Betriebszustand der Sedimentationsanlage 1 ermittelt und ausgegeben. Hierbei wird die erste Signalantwort A1 und/oder die zweite Signalantwort A2 bzw. die dritte Signalantwort A3 ausgewertet. Wird beispielsweise ein Rauschen R in der Signalantwort entdeckt, so befindet sich die Sedimentationsanlage 1 im Moment in einer Begasungsphase. Die im Behälter 20 aufsteigenden Gasblasen zeigen je nach Größe ein anderes, frequenzabhängiges Reflexionsverhalten, was durch die Signalauswertung erkennbar ist.
-
Die Steuereinheit 13 des Trennschichtsensors 10 kann aufgrund der frequenzabhängigen Reflexions- und Transmissionseigenschaften die Gasblasen und deren Größe erkennen und die Frequenz der Schallsignale S1, S2 so anpassen, dass eine Beeinflussung der Messwerte (Trennschicht, Behälterboden, Wasseroberfläche) verhindert wird. Ist die Gasmenge so gering, bzw. sind die Gasblasen sehr klein, dass noch Schallsignale im Messmedium 2 bis zum Boden des Behälters 20 gelangen, werden „springende“ Trennschichtmesswerte gemessen (siehe 5), da die Gasblasen das Schallsignal sehr stark reflektieren. Bei einer hohen Gasmenge, bzw. große Gasblasen, so dass keine Schallsignale auf den Boden des Behälters 20 bzw. in tiefe Bereiche des Behälters 20 mehr gelangen, wird kein Schallecho mehr vom Schalldetektor 12 empfangen. Somit trägt diese Betriebsstandevaluation zu einer robusteren Messung bei. Der Betriebszustand im Behälter kann durch die Anwesenheit und Charakteristik der Luftblasen erkannt werden (z.B. Belüftung im Sequencing Batch Reactor). Das Regelverfahren kann auf diese Betriebszustände reagieren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sedimentationsanlage
- 2
- Messmedium
- 3
- Sedimentschicht
- 10
- Trennschichtsensor
- 11
- Schallemitter
- 12
- Schalldetektor
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Halterung
- 15
- Speicher
- 16
- Kommunikationsmodul
- 20
- Behälter
- 21
- Messmediumszulauf
- 22
- Zulaufventil
- 23
- Messmediumsablauf
- 24
- Ablaufventil
- 25
- Regeleinheit
- 26
- Gaseinlass
- 27
- Gaseinlassventil
- A
- Amplitude
- A1
- erste Signalantwort
- A2
- zweite Signalantwort
- BA
- Bodenabstand
- BR
- Bodenreflexion
- D
- Sedimentdicke
- MR
- Mehrfachreflexion
- R
- Rauschen
- S1
- erstes Schallsignal
- S2
- zweites Schallsignal
- SA
- Sedimentabstand
- T
- Laufzeit
- W
- Wasserspiegel
- WA
- Wasserspiegelabstand
