DE102005059943A1 - Explosionsgeschützte Messanordnung zur Füllstandsmessung nach dem Einperl-Verfahren - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine explosionsgeschützte Messanordnung zur Füllstandsmessung nach dem Einperl-Verfahren und ein Verfahren unter Verwendung der Messanordnung.

Description

• Die Erfindung betrifft eine explosionsgeschützte Messanordnung zur Füllstandsmessung nach dem Einperl-Verfahren.
• Zur Füllstandsmessung werden sehr unterschiedliche Verfahren angewandt. Genannt seien nachfolgend einige der Verfahren, wobei jeweils in Klammern angegeben ist, in Bezug auf welche Umstände das jeweilige Messverfahren problembehaftet sein kann: Schwimmer und Stechpegel (wenig geeignet für Kurzzeitmessungen und verschmutzungsempfindlich); Druckmessdosen (Verlegung); Messflügel und Staurohr (nur für Kurzzeitmessungen und verschmutzungsempfindlich); Ultraschall-Echolot (Probleme bei seitlichen Reflexionen und Schaum auf der Wasseroberfläche) und Ultraschallsensor unter Anwendung des Doppler- und Laufzeitdifferenzprinzips (geringe Messgenauigkeit).
• Beim Einperlverfahren wird mittels einer kleinen Messpumpe Umgebungsluft in ein Tauchrohr gepumpt, dessen Austrittsöffnung in der Nähe des tiefsten Niveaus der zu messenden Flüssigkeit liegt. Aufgrund der Schwerkraft und in Abhängigkeit von der Dichte einer Flüssigkeit ist für homogene Flüssigkeiten der Druck am Boden eines Behälters proportional zu dessen Füllhöhe. Zur Ermittlung des der Füllhöhe entsprechenden Druckes ist es bekannt, eine im oder knapp über dem Behälterboden befindliche Öffnung, ggf. in Form einer Tauchgloeke, einzusetzen, über welche mit einer Pumpe solange Luft über eine Verbindungsleitung eingeblasen wird, bis sich in dem Luftraum der Messanordnung ein anstehender Luftdruck aufbaut, der dem Druck der Flüssigkeitssäule an der Öffnung gleicht (Äquivalenzdruck) und Luft aus der Öffnung zu perlen beginnt. Dieser Luftdruck in der Messanordnung wird durch einen Drucksensor gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Tauchglocke wird an der tiefsten Stelle des Behältnisses angeordnet. Üblicherweise wird die Tauchglocke an einem Schlauch hängend in Position gebracht.
• Füllstands-Messwertgeber nach dem Lufteinperl-Verfahren sind geeignet für dünnflüssige Flüssigkeiten (z. B. Kühlwasser oder Heizöl) bis hin zu verschmutzten Flüssigkeiten mit hohem Feststoffanteil (z. B. Kalkmilch, Fäkalien etc.) in drucklosen, offenen Behältern oder Schächten.
• Nicht geeignet sind herkömmliche Messanordnungen nach dem Lufteinperl-Verfahren in explosionsgefährdeten Bereichen, wenn der Messwertgeber kein explosionsgeschütztes Gerät ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine explosionsgeschützte Messanordnung zur Füllstandsmessung nach dem Lufteinperl-Verfahren bereitzustellen, die einen Kontakt von über der Flüssigkeit stehenden Gasen mit dem Drucksensor und/oder der Pumpe vermeidet und andere Probleme herkömmlicher Messanordnung nach dem Einperl-Verfahren überwindet, welche z.B. darin bestehen, dass bei Fehlbedienung oder Beschädigung sich ungünstige Druckverhältnisse einstellen können und der Schlauch oder die Rohrzuführung als pneumatische Heber wirken können und über das Rohr- oder Schlauchende die Flüssigkeit aus dem Behältnis ausläuft.
• Die Aufgabe ist durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend beschrieben.
• Die Messanordnung weist folgende Bauteile auf: Eine Gasdruckbereitstellung, z.B. in Form eines Druckreservoirs oder einer Pumpe bzw. einem Kompressor, um ein Gas in die Messanordnung einzubringen und um in der Messanordnung einen Druck aufzubauen. Das Gas ist im Regelfall ein Gasgemisch, insbesondere Luft.
• Die Gasdruckbereitstellung kann auch ein kleineres unter Druck stehendes Gasreservoir umfassen, dessen Gasvolumen und Druck für ein einmaliges Ausperlen bei maximalem Füllstand dimensioniert ist. Nachfolgend wird das Gasreservoir wieder befüllt, z.B. von der Pumpe.
• Ein Drucksensor bestimmt den Druck im Inneren der Messanordnung. Der Druck wird hierbei in der Regel als Differenzdruck äußere Atmosphäre/inneres Gasleitungssystem aufgenommen und in ein analoges oder digitales Signal umgesetzt.
• Eine Signaleinheit nimmt das Signal des Drucksensors auf, bereitet dieses auf oder leitet dieses weiter. Beispielsweise kann die Signaleinheit das Drucksignal bzw. Füllstandssignal per Datenfernübertragung, etwa mit einem GSM-Modul, zusammen mit einer Identifikationsinformation für den Tank an eine Auswerteeinheit übermitteln. Dort wird mit Hilfe einer Auswertesoftware, die Informationen über die Flüssigkeit und den Tank enthalten kann – die Zuordnung erfolgt über die Identifikationsinformation für den Tank – die Füllhöhe im Tank berechnet. Die Füllhöhe kann anhand einer Peiltabelle oder einer mathematischen Funktion in das Füllvolumen umgerechnet werden. Die Software kann eine Zeitreihe der übertragenen Werte aufnehmen.
• Das Leitungssystem verbindet die unterschiedlichen Einheiten pneumatisch miteinander, wie z.B. die Pumpe mit dem Tank. Das Ende des Leitungssystems weist eine Öffnung auf und ist im Tank so angeordnet, dass das Ende sich in Bezug auf den regulären Arbeitsbereich des Tanks stets unter dem Flüssigkeitspegel befindet. In der Regel ist das Ende des Leitungssystems am oder im Boden des Tankes angeordnet. Das Rohr wird oft als Tauchrohr gelegentlich auch als Staurohr bezeichnet und die Öffnung als Tauchglocke.
• Das Leitungssystem kann aus Rohren und/oder Schläuchen bestehen. Beispielhaft sei ein Kupferrohr mit einem inneren Leitungsquerschnitt von 1 bis 3 mm genannt. Soweit das Behältnis bzw. der Tank über ein Rohr für einen Peilstab verfügt, kann das Leitungssystem als Teil der Messanordnung durch dieses Rohr in den Tank geführt sein. Die Messanordnung einschließlich des Leitungssystems kann z.B. ein inneres Gesamtluftvolumen von 3 bis 50 ml, insbesondere 5 bis 20 ml haben.
• Das Behältnis für die zu messende Flüssigkeit kann ein Tank, ein Schacht, eine Wanne oder dergleichen sein. Wichtig ist, dass das Behältnis in Austausch mit der Atmosphäre steht. Derartige Behältnisse werden im Sinne der vorliegenden Erfindung nachfolgend gemeinsam kurz Tank genannt.
• Die hinsichtlich des Füllstandes zu messende Flüssigkeit sollte gut fließfähig und weitgehend dichte-homogen sein. Geeignete Flüssigkeiten können z.B. sein: Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Kerosin, Heizöl oder Diesel, oder flüssige Chemikalien wie Schwefelsäure, Ester, Alkohole usw..
• Der Druck über einer Flüssigkeitssäule ist proportional zur Länge der Säule. Wird der Druck am Boden des Tanks gemessen, wird die Länge der Flüssigkeitssäule als Füllhöhe oder Füllstand bezeichnet. Zur Ermittlung des der Füllhöhe entsprechenden Druckes wird in die Messanordnung solange Luft über die Pumpe und das Leitungssystem eingeblasen, bis sich in dem Luftraum ein anstehender Luftdruck aufbaut, der dem Druck der Flüssigkeitssäule an der Öffnung gleicht (Äquivalenzdruck) und Luft aus der Öffnung am Ende des Leitungssystems perlt.
• Vorteilhafterweise wird der Druck nach Erreichen dieses Zustandes und nachfolgendem Abschalten der Pumpe gemessen, z.B. 100 Millisekunden bis 2 Minuten nach Abschalten der Pumpe, um einen statischen Druck und keinen dynamischen Zustand zu messen.
• Wenn gewünscht, kann die Pumpe auch so gesteuert sein (langes Pumpintervall), dass zumindest 1 mal pro Woche, vorzugsweise mindestens einmal pro Tag, das gesamte Luftvolumen der Messanordnung durchgespült und hierbei im Wesentlichen ausgetauscht wird.
• Nach einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird die Messung (einschließlich des Einperlens) zumindest 2-mal kurz hintereinander wiederholt (z.B. innerhalb von 2 bis 5 min), um die erhaltenen Messwerte zu vergleichen. Sind diese innerhalb eines geringen Fehlertoleranzbereiches gleich, wird einer der Messwerte oder der Durchschnittswert der Messungen angezeigt, aufgezeichnet bzw. übermittelt.
• Kennzeichen der Erfindung ist ein Rückschlagventil, dass druckbelastet in Richtung von der Pumpe mit Drucksensor zum Tank öffnet und in gegenläufiger Richtung schließt. Hierdurch wird eine Zonentrennung ermöglicht, weil die explosiven oder sonst wie gefährlichen oder korrosiven Gase aus dem Tank (z.B. Zone 0) nicht über das Leitungssystem zu den Teilen des Messverfahrens vordringen können, die eine Explosion zünden könnten. Das sind der Drucksensor, die Gasdruckbereitstellung/Pumpe und die anderen elektrischen/elektronischen Komponenten der Signaleinheit. Somit ist der Messanordnung selbst nur bis zum Rückschlagventil Gefahrenzone 0 zuzuordnen. Die Signaleinheit, Drucksensor und Pumpe dürfen außerhalb der Gefahrenzone 0 betrieben werden, auch wenn diese selbst nicht explosionsgeschützt aufgebaut sind. Dies wird durch einen hinreichend langen Teil des Leitungssystems gewährleistet, der weder selbst Gefahrenzone 0 ist noch sich in dieser befindet.
• Nach einer weiteren Ausführungsform sind zumindest zwei Rückschlagventile hintereinander in gleicher Weise in Serie geschaltet, um Ausfälle eines Rückschlagventils zu kompensieren.
• Das Rückschlagventil, vorzugsweise zumindest das erste Rückschlagventil zum Tank hin, ist vorzugsweise ein Ventil, das aus einem Material gefertigt ist, das soweit es in einer gewissen Konzentration mit der Flüssigkeit bzw. dem Gas der Flüssigkeit ausgesetzt ist, Veränderungen zeigt, die das Vorhandensein unerwünschter oder gefährlicher Zustände zu identifizieren erlaubt. Quellendes Material kann konstruktiv so eingesetzt werden, dass das Rückschlagventil in beide Strömungsrichtungen dauerhaft verschließt. Gleiches gilt für Material, das sich an der Oberfläche zu lösen beginnt. Ventilstempel und Ventilsitz können dauerhaft verkleben, wenn ihre Oberflächen angelöst sind und die Teile durch Federdruck aufeinander gedrückt werden.
• Nach einer anderen Ausgestaltung ist/sind die Rückschlagventile bzw. der Ventilstoff nicht quellfähig, aber diesen ist zum Tank hin ein Durchflusskörper vorgeschaltet, der einen derartigen quellfähigen Stopfen enthält und nach Quellung schließt.
• In beiden Ausgestaltungen würde die Signaleinheit (Messwertgeber, Auswerteeinheit) im Falle der Ventildeformierung durch zu hohe Konzentration mit Flüssigkeit oder Gas der Flüssigkeit eine irreguläre Drucküberhöhung identifizieren. Das Gerät kann sich aus Sicherheitsgründen umgehend selbst abschalten und/oder ein Fehlersignal als Wartungshinweis auslösen.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ein aus quellfähigem Material gefertigtes Element, das im Quellfall nicht schließt, sondern zur Umgebung hin öffnet, vor das erste Ventil am Tank geschaltet. Im normalen Betriebsfall verschließt dieses Element die Druckleitung zur Atmosphäre. Im Störfall öffnet es durch Materialquellen. Die Signaleinheit identifiziert ein irreguläres Abfallen des Drucks und kann aus Sicherheitsgründen umgehend abgeschaltet werden bzw. das Fehlersignal auslösen.
• Die Erfindung ist durch die Figuren weiter erläutert ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen
• 1: die erfindungsgemäße Messanordnung mit Zonentrennung,
• 2: ein Beispiel für ein Rückschlagventil aufweisend eine Lippendichtung und
• 3: ein weiteres Beispiel für ein Rückschlagventil aufweisend eine Federdichtung.
• Mittels der erfindungsgemäßen Messanordnung (1) kann die Füllhöhe einer in einem Tank (2) gelagerten Flüssigkeit (3) durch Messung des Druckes im Leitungssystem (4) bestimmt werden.
• Die Gasdruckbereitstellung erfolgt mittels einer Pumpe (5). Die Pumpe gibt eine definierte Luftmenge z.B. 8 bis 20 ml (bezogen auf Normalbedingungen 25°C und 1013 mbar) ab. Die Luft breitet sich in den Hohlräumen der Messanordnung aus, passiert das Rückschlagventil (5) und tritt an der Öffnung (6) des Leitungssystems (4'') unter Blasenbildung aus. Der Tank (2) ist ein atmosphärischer Tank.
• Im ersten Teil (4') des Leitungssystems ist ein Drucksensor (7) angeordnet. Der zweite Teil (4'') des Leitungssystems ist in den Tank geführt. Die Öffnung (8) befindet sich am Tankboden. Das Rückschlagventil (6) schließt bei Erreichen des Äquivalenzdruckes und entkoppelt hierdurch den ersten (4') vom zweiten Teil (4'') des Leitungssystems. Das Schließen des Rückschlagventils (6) wird durch Beenden der Luftzufuhr durch die nur in Intervallen betriebene Pumpe bewirkt. Druck im ersten Teil (4'') des Leitungssystems wird durch den Drucksensor gemessen. Die gestrichelte Linie (11) bezeichnet die Zonentrennung. Der Pfeil gibt die Durchflussrichtung des Rückschlagventils wieder.
• Das Rückschlagventil (6) kann beispielsweise eine Öffnung (10) in Form einer elastischen Lippendichtung oder einen Ventilstempel (14), der durch eine Feder (13) gegen den Ventilsitz (12) gepresst wird, aufweisen.

Claims (11)

1. Messanordnung (1) zur Bestimmung der Füllhöhe einer in einem Tank (2) gelagerten Flüssigkeit (3) nach dem Einperl-Verfahren, aufweisend – ein Leitungssystem (4) Hohlräume aufweisend und verbindend eine Gasdruckbereitstellung (5) zur Aufgabe einer Gasmenge in das Leitungssystem (4), einen Drucksensor (7) zur Messung des Druckes im Leitungssystem (4) und eine Ausperl-Öffnung (8), wobei – die Ausperl-Öffnung unter den von der Flüssigkeit (3) gebildeten Flüssigkeitsspiegel führbar ist und – die Gasdruckbereitstellung (5) und der Drucksensor (7) außerhalb des Tanks anordenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein Rückschlagventil (6) in dem Leitungssystem (4) mit Hohlräumen angeordnet ist, das das Leitungssystem (4) zwischen Ausperl-Öffnung (8) einerseits und Gasdruckerbereitstellung (5) und Drucksensor (7) andererseits in zumindest zwei Zonen unterteilt und – das Rückschlagventil (6) bei höherem Differenzdruck auf Seiten des Hohlraums, der der Gasdruckerbereitstellung (5) und dem Drucksensor (7) zuzuordnen ist, öffnet und bei höherem, vorzugsweise auch bei gleichem Differenzdruck im Hohlraum auf Seiten der Ausperlöffnung (8) schließt.
2. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3) eine kohlenwasserstoffhaltige Flüssigkeit (3) ist und das Rückschlagventil (6) ein Ventilmaterial aufweist, das bei erhöhter Kohlenwasserstoff-Konzentration, insbesondere bei Kontakt mit flüssigen Kohlenwasserstoffen, schließt, insbesondere weil – die Oberfläche von Ventilstempel (14) und Ventilsitz (12) bei Kontakt mit dem Kohlenwasserstoff so gelöst bzw. angelöst wird/werden, dass der Ventilstempel (14) und der Ventilsitz (12) verkleben, ggf. unter dem Druck der Feder (13), und das Rückschlagventil (6) in beide Richtungen schließt und/oder – das Ventilmaterial im Kontakt mit dem Kohlenwasserstoff quillt, so dass das Rückschlagventil (6) in beide Richtungen schließt.
3. Messanordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Tank hin dem/den Rückschlagventil(en) ein Durchflusskörper vorgeschaltet ist, der einen quellfähigen Stopfen enthält und nach Quellung schließt.
4. Messanordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) weiterhin eine Signalaufnahmevorrichtung aufweist, die das Signal des Drucksensors (7) auswertet und vorzugsweise bei Messung eines erhöhten Druckes ein Fehlersignal weiterleitet, wegen Verdachts des Verschlusses des Rückschlagventils.
5. Messanordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) weiterhin eine Signalaufnahmevorrichtung aufweist, die das Signal des Drucksensors (7) mit einer Identifikationsinformation über den Tank (2) versieht und mittelbar oder unmittelbar mit einer Datenfernübertragungsvorrichtung zur Übertragung an eine Zentraleinheit zur Datenauswertung weiterleitet.
6. Messanordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdruckbereitstellung (5) eine Pumpe umfasst.
7. Messanordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) eine Steuerung aufweist, die die Gasdruckbereitstellung (4) nur für bestimmte Zeitintervalle ansteuert und das Drucksensorsignal nach erfolgter Gasdruckbereitstellung aufnimmt.
8. Messanordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) zwei oder mehr in gleicher Weise schaltende Rückschlagventile in Serie aufweist.
9. Messanordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor das erste Rückschlagventil zum Tank hin ein nach außen im Normalbetrieb schließendes Element geschaltet ist, dass im Störfall bei erhöhter Kohlenwasserstoffkonzentration nach außen öffnet, z.B. durch Materialquellen, und die Signaleinheit ein irreguläres Abfallen des Drucks identifiziert.
10. Verfahren zur Messung der Füllhöhe oder des Füllvolumens mit der Messanordnung (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Gasvolumens durch die Gasdruckbereitstellung (5), – Einperlen von Gas aus der Ausperl-Öffnung (8) bei geöffnetem Rückschlagventil (6), ggf. unter Verdrängen von Flüssigkeit (3) aus dem Hohlraum der Messanordnung (1), bis zur Herstellung des Äquivalenzdruckes und Beenden des Bereitstellens von Gasvolumen, – Schließen des Rückschlagventils (6) nach Erreichen des Äquivalenzdruckes und – nachfolgend Aufnehmen des Druckes mit dem Drucksensor (7) und Berechnen des Füllvolumens oder der Füllhöhe relativ oder absolut.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Anspruchs 10 zumindest einmal wiederholt werden, um Fehlertoleranzen zu ermitteln, Messwerte auszuwählen und/oder einen Durchschnitteswert zu ermitteln.