-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Drucks in einem Druckgefäß. Daneben betrifft sie eine Sensoranordnung zum Durchführen des Verfahrens sowie ein Druckgefäß mit einer Sensoranordnung zum Messen des Drucks in seinem Inneren.
-
An Druckgefäßen, also an Druckbehältern oder druckführenden Rohren wie etwa Pipelines, ist es häufig erforderlich, den im Inneren des Gefäßes herrschenden Druck zu Messen, um ggf. einen Überdruck oder Unterdruck erkennen zu können. Konventionelle Druckmessegeräte benötigen zum Messen des Druckes einen Anschluss mit einer direkten Verbindung zum Innen des Gefäßes. Es ist daher entweder eine drucksichere Durchführung durch die Gefäßwand nötig, oder die Gefäßwand muss für den Anschluss eines Druckmessgerätes geöffnet werden können. Dies kann in der Regel nur erfolgen, während der Behälter nicht genutzt wird.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Sensoranordnung zum Messen des Drucks im Inneren eines Druckgefäßes zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Durchführung durch die Gefäßwand bzw. ein Öffnen des Gefäßes zum Anbringen des Druckmessgerätes nicht notwendig ist.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Druckgefäß zur Verfügung zu stellen.
-
Die erste Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 durch ein Verfahren zum Messen des Drucks im Inneren eines Gefäßes sowie gemäß Anspruch 9 durch eine Sensoranordnung zum Messen des Druckes im Inneren eines Gefäßes gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Gefäß nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen des Drucks im Inneren eines Gefäßes, das eine Gefäßwand mit wenigstens einer ferromagnetischen Schicht besitzt, werden die in der ferromagnetischen Schicht herrschenden Kräfte mittels wenigstens eines an der Außenseite der Gefäßwand an oder in der Nähe der ferromagnetischen Schicht angebrachten magnetoelastischen Messsensors detektiert. Aus den detektierten Kräften wird dann der Druck im Inneren des Gefäßes ermittelt. Dabei kann die Gefäßwand insbesondere vollständig aus dem ferromagnetischen Material hergestellt sein. Alternativ kann sie auch aus einem anderen Material mit einer darauf aufgebrachten ferromagnetischen Schicht bestehen. Die ferromagnetische Schicht kann dabei entweder auf die gesamte Oberfläche der Gefäßwand aufgebracht sein oder nur auf diejenigen Bereiche, an denen ein magnetoelastischer Messsensor vorhanden ist. Das Gefäß kann bspw. ein Druckbehälter, ein Rohr wie etwa einer Pipeline, etc. sein. Als Druck kann ein statischer Druck oder ein Strömungsdruck gemessen werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass der Druck im Inneren des Gefäßes Kräfte auf die Gefäßwand ausübt, die wiederum zu Spannungen in der Gefäßwand führen. Wenn nun die Gefäßwand aus einem ferromagnetischen Material besteht oder zumindest im Bereich der magnetoelastischen Messsensoren eine ferromagnetische Schicht aufweist, führen die aufgrund der Spannungen im ferromagnetischen Material vorherrschende Kräfte zu einer Änderung in der magnetischen Permeabilität der Schicht und diese wiederum zu Änderungen in durch die Schicht verlaufenden Magnetfeldern. Diese Änderungen können mit dem magnetoelastischen Messsensor detektiert werden können. Aus den mit dem magnetoelastischen Messsensor gemessenen Magnetfeldstärken kann dann auf die Kräfte in der ferromagnetischen Schicht und daraus auf den Druck im Inneren des Gefäßes zurück geschlossen werden. Dabei kann die Druckmessung vollständig von außerhalb des Behälters erfolgen, so dass ein Durchführen eines Drucksensors durch die Behälterwand oder ein Öffnen des Behälters zum Anbringen eines Drucksensors nicht notwendig ist. Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete magnetoelastische Messsensor braucht lediglich auf die Gefäßwand aufgesetzt oder mit einem Abstand zur Gefäßwand angeordnet werden. Beispielweise ist es auch möglich, den Druck im Inneren des Gefäßes über dicke Farbüberzüge oder Umhüllungen zu überwachen.
-
Die in dem ferromagnetischen Material auftretenden Kräfte hängen außer von dem in Inneren des Gefäßes herrschenden Druck auch vom Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur ab. In das Ermitteln des Drucks im Inneren des Gefäßes geht daher vorteilhafter Weise der Umgebungsdruck und/oder die Umgebungstemperatur ein. Dabei können der Umgebungsdruck und/oder die Umgebungstemperatur gemessen werden. Insbesondere wenn der Umgebungsdruck oder die Umgebungstemperatur keinen relevanten Schwankungen unterliegen, kann auf das Messen des Umgebungsdrucks bzw. der Umgebungstemperatur auch verzichtet werden. Stattdessen kann dann auf Mittelwerte für den Druck und/oder die Temperatur, auf Abschätzungen des Drucks und/oder der Temperatur, etc. zurückgegriffen werden. Druckwerte können dabei bspw. aus der geografischen Höhenlage des Behälters abgeleitet werden.
-
In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Druck im Inneren des Gefäßes ein Strömungsdruck. Aus dem ermittelten Strömungsdruck kann dann die Strömungsgeschwindigkeit eines im Gefäß strömenden Fluids ermittelt werden. Das Messen des Strömungsdrucks im Inneren eines Gefäßes ist insbesondere bei röhrförmigen Gefäßen wie etwa Pipelines von Interesse. Mittels dieses Verfahrens besteht auch die Möglichkeit, den Strömungsdruck und/oder die Strömungsgeschwindigkeit in einem Gefäß zu überwachen und das Gefäß anhand des ermittelten Strömungsdruckes bzw. der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit auf das Vorliegen von Lecks zu überprüfen. Wenn dabei der Strömungsdruck und/oder die Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Gefäßes an einer Mehrzahl (wenigstens zwei) verschiedener Stellen der Gefäßwand mittels verteilt angeordneter magnetoelastischer Messsensoren überwacht wird, besteht die Möglichkeit, bei Feststellen des Vorliegens eines Lecks die Lage des Lecks aus den für die verschiedenen Stellen ermittelten Strömungsdrücken bzw. Strömungsgeschwindigkeiten festzustellen. Wie bereits erwähnt, kann die am Ort der Messsensoren vorhandene ferromagnetische Schicht entweder eine gemeinsame ferromagnetische Schicht sein oder zwei voneinander getrennte ferromagnetische Schichten umfassen.
-
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zum Messen des Drucks im Inneren eines Gefäßes mit einer Gefäßwand, die wenigstens eine ferromagnetische Schicht besitzt, umfasst wenigstens einen an oder in der Nähe der ferromagnetischen Schicht anzuordnenden magnetoelastischen Messsensor zum Detektieren der in der ferromagnetischen Schicht herrschenden Kräfte. Der ferromagnetische Messsensor gibt ein die detektierten Kräfte repräsentierendes Signal aus. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung eine mit dem magnetoelastischen Messsensor verbundene Verarbeitungseinheit, die aus dem von dem magnetoelastischen Messsensor ausgegebenen Signal den Druck im Inneren des Gefäßes ermittelt. Der Druck kann dabei ein statischer Druck oder ein Strömungsdruck sein.
-
Die Sensoranordnung kann insbesondere außerdem wenigstens einen den Umgebungsdruck messenden Drucksensor und/oder einen die Umgebungstemperatur messende Temperatursensor umfassen.
-
Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden, so dass die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden können.
-
Wenn das Gefäß von einem Fluid durchströmt wird, kann die Verarbeitungseinheit auch dazu ausgeschaltet sein, aus dem von dem magnetoelastischen Messsensor ausgegebenen Signal die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Fluids zu ermitteln.
-
In einer Weiterbildung der Sensoranordnung weist diese wenigstens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl an der Außenseite der Gefäßwand an oder in der Nähe der ferromagnetischen Schicht verteilt anzuordnende magnetoelastische Messsensoren auf. In dieser Weiterbildung kann bspw. das Vorliegen und der Ort eines Lecks in einem fluiddurchströmten Gefäß, etwa in einer Pipeline, ermittelt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird außerdem ein Gefäß mit einer Gefäßwand zur Verfügung gestellt, die wenigstens eine ferromagnetische Schicht besitzt. An oder in der Nähe der ferromagnetischen Schicht ist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung angeordnet. Die Gefäßwand kann dabei entweder vollständig aus ferromagnetischem Material bestehen, eine ferromagnetische Schicht aufweisen, die sich über die gesamte Gefäßwand erstreckt, oder eine oder mehrere ferromagnetische Schichten, die sich im Bereich eines ferromagnetischen Sensors befinden.
-
Ein derartiges Gefäß ermöglicht das Erfassen des Druckes im Inneren des Gefäßes, ohne dass hierzu eine Durchführung oder Öffnung in der Gefäßwand vorhanden sein müsste. Das Gefäß kann insbesondere als Rohr ausgestaltet sein, bspw. als Pipeline. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn eine Sensoranordnung mit wenigstens zwei, vorzugsweise mit einer Vielzahl an der Außenseite der Gefäßwand angeordneten Messsensoren vorhanden ist, da dann über das Feststellen eines Druckabfalls oder eines Abfalls der Strömungsgeschwindigkeit das Vorliegen eines Lecks und die Lage des Lecks ermittelt werden kann.
-
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
-
2 zeigt einen magnetoelastischen Messsensor der Sensoranordnung aus 1.
-
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Sensoranordnung.
-
4 zeigt die Lage der magnetoelastischen Messsensoren der Sensoranordnung aus 3 an einem fluiddurchströmten Rohr.
-
Ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Sensoranordnung wird nachfolgend mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Während 1 die Sensoranordnung in Form eines Blockschaltbildes zeigt, zeigt 2 einen magnetoelastischen Messsensor 1, der an der Behälterwand 3 positioniert ist. Obwohl das erste Ausführungsbeispiel anhand eines Druckbehälters beschrieben wird, ist es auch möglich, die Sensoranordnung des ersten Ausführungsbeispiels bei einem durchströmten Gefäß wie etwa einer Pipeline oder einem anderen Rohr anzuwenden.
-
Die im ersten Ausführungsbeispiel dargestellte Sensoranordnung umfasst neben einem an der Behälterwand 3 anzuordnenden magnetoelastischen Messsensor 1 eine Datenerfassungseinheit 5, die ein vom magnetoelastischen Messsensor 1 ausgegebenes Signal erfasst. Daneben kann sie auch die Signale eines den Umgebungsdruck messenden Drucksensors 7 und/oder eines die Umgebungstemperatur messenden Temperatursensors 9 erfassen. Das Vorhandensein eines Drucksensors 7 und/oder eines Temperatursensors 9 ist vorteilhaft, aber nicht notwendig, wie später noch erläutert werden wird, so dass diese beiden Sensoren lediglich optional in der Sensoranordnung vorhanden sind.
-
Die Sensoranordnung umfasst außerdem eine Verarbeitungseinheit 11, an welche die Datenerfassungseinheit 5 die erfassten Daten weiterleitet. Das Ergebnis der in der Verarbeitungseinheit 11 stattfindenden Verarbeitung der von der Datenerfassungseinheit 5 erfassten Signale wird schließlich an eine mit der Verarbeitungseinheit 11 verbundene Schnittstelle 13 weitergegeben, von wo aus das Ergebnis abgerufen werden kann.
-
Im Folgenden wird das Messen des Druckes im Innenraum 4 des Behälters 2 beschrieben. Die Behälterwand 3 des Behälters 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Sie kann aber auch aus einem anderen Material hergestellt sein und mit einem ferromagnetischen Material beschichtet oder einer anderen Weise fest verbunden sein. Die Beschichtung ist dann zumindest dort vorhanden, wo der magnetoelastische Messsensor 1 positioniert ist. Vorteilhafter Weise ist eine derartige Beschichtung jedoch über der gesamten Behälterwand 3 vorhanden, um die Freiheit im Positionieren des magnetoelastischen Messsensors 1 zu erhöhen. Über der ferromagnetischen Behälterwand 3 bzw. über der ferromagnetischen Schicht kann zudem eine dicke Farbschicht oder Lackschicht oder eine Umhüllung, bspw. eine thermisch isolierende Umhüllung oder eine Schutzumhüllung aufgetragen sein, ohne dass dadurch die nachfolgend beschriebene Messung vereitelt würde.
-
Ein Druck im Innenraum 4 des Behälters 2 führt zu Spannungen in der Behälterwand 3, die wiederum die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Materials der Behälterwand 3 bzw. der ferromagnetischen Schicht beeinflussen. Ob in der Behälterwand Zug- oder Druckspannungen auftreten, hängt dabei davon ab, ob der Druck im Behälter höher oder niedriger ist als der Umgebungsdruck an der Außenseite des Behälters 2. Ist der Druck im Innenraum 4 niedriger als der Außendruck, so erfolgt eine Komprimierung der Behälterwand 3, was zu Druckspannungen führt. Ist umgekehrt der Umgebungsdruck niedriger als der Druck in Innenraum 4 des Behälters, so führt dies zu einer Ausdehnung der Behälterwand 3 und damit zu Zugspannungen.
-
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aufgrund der Spannungen auftretenden Änderung der magnetischen Permeabilität des ferromagnetischen Materials mittels des magnetoelastischen Messsensors 1 erfasst. Ein solcher Sensor besitzt in der Regel eine Erregerspule 15, auch Sendespule genannt, die ein Magnetfeld erzeugt. Sie ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem Schenkel eines U-förmigen Ferritkerns 17 angeordnet. Am gegenüberliegenden Schenkel des Ferritkerns 17 ist eine Empfangsspule angeordnet. Das von der Sendespule 15 generierte Magnetfeld gelangt durch das ferromagnetische Material der Behälterwand 3 zur Empfangsspule 19. Über den Ferritkern 17 wird der Magnetfeldkreis geschlossen. Mittels der Empfangsspule 19 wird die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes am Ort der Sendespule erfasst, die von der magnetischen Permeabilität im ferromagnetischen Material abhängt. Eine Änderung der magnetischen Permeabilität aufgrund von Spannungen führt daher zu einer Änderung in der durch die Empfangsspule 19 hindurch tretenden magnetischen Flussdichte, die wiederum den in der Empfangsspule 19 induzierten Strom bestimmt. Das von der Empfangsspule 19 generierte Stromsignal ist daher repräsentativ für die im ferromagnetischen Material der Behälterwand 3 vorhandenen Spannungen.
-
In der Verarbeitungseinheit 11 wird auf der Basis der in der Empfangsspule 19 induzierten Stromstärke die magnetische Permeabilität im ferromagnetischen Material ermittelt. Hieraus können dann anhand des inversen magnetostriktiven Effekts die Spannungen in der Behälterwand 3 berechnet werden, woraus dann wiederum der Druck im Behälterinneren 4 berechnet werden kann. Bei dieser Berechnung können Messwerte für die Umgebungstemperatur und/oder Messwerte für den Umgebungsdruck beim Berechnen des Drucks im Behälterinneren eingehen. Der in der Verarbeitungseinheit 11 berechnete Druck im Behälterinneren 4 wird schließlich an die Schnittstelle 13 ausgegeben, von wo der Druckwert abgerufen werden kann.
-
Wie bereits erwähnt, hängen die in der Behälterwand 3 auftretenden Spannungen vom Druckunterschied zwischen dem Druck im Innenraum 4 des Behälters 2 und dem Umgebungsdruck ab. Wenn beispielsweise bei gleichbleibendem Druck im Innenraum 4 der Umgebungsdruck sinkt, hat dies Auswirkungen auf die in der Behälterwand 3 auftretenden Spannungen. Entsprechendes gilt bei thermischer Ausdehnung der Behälterwand 3. Auch dies beeinflusst die in der Behälterwand 3 auftretenden Spannungen. Insbesondere wenn mit größeren Schwankungen im Umgebungsdruck und/oder der Umgebungstemperatur zu rechnen ist, ist es vorteilhaft, den Umgebungsdruck und/oder die Umgebungstemperatur zu messen. Anhand der Messung des Umgebungsdrucks und/oder der Umgebungstemperatur kann deren Einfluss dann aus dem vom magnetoelastischen Messsensor 1 erhaltenden Signal herausgerechnet werden.
-
Falls am Ort des Behälters 2 größere Schwankungen im Umgebungsdruck und/oder in der Umgebungstemperatur nicht zu befürchten sind, besteht aber auch die Möglichkeit, keinen Drucksensor 7 und/oder Temperatursensor 9 in der Sensoranordnung vorzusehen. In die Auswertung des mit dem magnetoelastischen Messsensor 1 erfassten Signals kann dann beispielsweise ein konstanter Mittelwert für den Umgebungsdruck und/oder für die Umgebungstemperatur angesetzt werden. Ein solcher Mittelwert kann beispielsweise aus der Höhenlage am Ort des Behälters 2 oder aus Messwerten der Vergangenheit (für Temperatur und/oder Umgebungsdruck) ermittelt werden.
-
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist in 3 und in 4 dargestellt. Elemente die denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind dabei mit denselben Bezugsziffern wie in 1 und 2 bezeichnet und werden nicht noch einmal beschrieben, um Wiederholungen zu vermeiden. Die Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels beschränkt sich daher auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel.
-
Die in 3 dargestellte Sensoranordnung des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst eine Mehrzahl magnetoelastischer Messsensoren 1, die alle mit der Datenerfassungseinheit 5 verbunden sind. Wie im ersten Ausführungsbeispiel können optional ein Drucksensor 7 und/oder ein Temperatursensor 9 zum Messen des Umgebungsdrucks bzw. der Umgebungstemperatur vorhanden sein.
-
Die in 3 dargestellte Sensoranordnung findet im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Messen des Strömungsdrucks an verschiedenen Orten einer Pipeline 21 Verwendung (4), deren Außenwand aus einem ferromagnetischen Material besteht oder eine ferromagnetische Schicht umfasst. Im Falle einer ferromagnetischen Schicht ist diese insbesondere dort vorhanden, wo magnetoelastische Messsensoren 1 angeordnet sind. Vorteilhafter Weise erstreckt sie sich jedoch über die gesamte Wand der Pipeline 21, um eine möglichst freie Positionierung der magnetoelastischen Messsensoren 1 an der Außenseite der Pipeline zu ermöglichen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei magnetoelastische Messsensoren 1 in regelmäßigen Abständen entlang der Axialrichtung der Pipeline 21 angeordnet. Die Anzahl von drei elektromagnetischen Messsensoren 1 ist hierbei lediglich der Übersichtlichkeit geschuldet. Tatsächlich kann die Anzahl der magnetoelastischen Messsensoren auch erheblich größer sein, als dies in 4 dargestellt ist. Außerdem besteht auch die Möglichkeit, elektromagnetische Messsensoren 1 nicht nur in Axialrichtung der Pipeline 21 zu verteilen, sondern auch in deren Umfangsrichtung.
-
Das in der Pipeline strömende Medium beeinflusst über die durchflossene Strecke aufgrund der Reibung innerhalb des Mediums selbst und der Reibung des Mediums an der Rohrwand den Strömungsdruck in der Pipeline 21. Die Strömungsdrücke an den Orten der magnetoelastischen Messsensoren 1 sind dabei von der dort herrschenden Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Mittels der magnetoelastischen Messsensoren 1 kann daher die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an den jeweiligen Stellen berechnet werden. Zwischen den Messstellen kann eine Interpolation der Strömungsgeschwindigkeit erfolgen. Diese Interpolation ist umso genauer, je geringer die Abstände zwischen den magnetoelastischen Messsensoren 1 sind.
-
Aus der Information über die Strömungsgeschwindigkeiten an den Messstellen kann zudem das Vorhandensein von Lecks detektiert werden. Ein Leck macht sich durch einen veränderten Strömungsfluss des Mediums bemerkbar. Ist das Netz der über die Außenseite der Pipeline 21 verteilten magnetoelastischen Messsensoren 1 entsprechend dicht, besteht auch die Möglichkeit, den Ort eines Lecks anhand der bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten zu ermitteln. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann also neben dem Druck in der Pipeline 21 auch die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ermittelt werden und, insbesondere bei einem hinreichend dichten Netz an magnetoelastischen Messsensoren 1, auch das Vorhandensein von Lecks. Die in 3 dargestellte Sensoranordnung eignet sich daher im besonderen Maße für das Überwachen von Pipelines oder anderen durchströmten Rohren.
-
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensoranordnungen erlauben es, Druckgefäße ohne Öffnung der Gefäßwand zu überwachen. Es ist lediglich eine einfache Halterung zur Montage der magnetoelastischen Messsensoren nötig. Diese können dabei entweder direkt auf die Behälterwand aufgesetzt werden oder in einem Abstand zur Behälterwand, da das Verfahren auch dann funktioniert, wenn die Sendespule und die Empfangsspule einen Abstand zur Behälterwand aufweisen, sofern dieser Abstand nicht zu groß wird. Auch dicke Farbüberzüge oder Umhüllungen behindern daher die Druckmessung mit dem magnetoelastischen Drucksensor nicht wesentlich.
-
Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf die Figuren anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Diese sollen jedoch die Erfindung nicht auf die darin beschriebenen Anordnungen und Verfahren beschränken, sondern lediglich Erläuterungszwecken dienen. Abweichungen in der Zahl der magnetoelastischen Messsensoren oder in der Anordnung der magnetoelastischen Messsensoren an der Behälterwand sind möglich, wie ein Fachmann ohne weiteres erkennt. Außerdem ist der in 2 gezeigte magnetoelastische Messsensor 1 lediglich ein Beispiel für einen im Rahmen der Sensoranordnung verwendbaren magnetoelastischen Messsensor. Grundsätzlich können in der Sensoranordnung alle zum Messen der magnetischen Flussdichte geeigneten Sensoren im Rahmen der Sensoranordnung zur Anwendung kommen. Außerdem kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung in Verbindung mit jedem Druckgefäß, sei es durchströmt oder nicht durchströmt, Anwendung finden.
