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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Objektes in einem explosionsgeschützten Bereich, bei denen ein Ultraschallwandler, ein mit dem Ultraschallwandler akustisch gekoppelter Schallwellenleiter und eine Sende- und Empfangselektronik zum Aussenden und zum Empfang von Ultraschallsignalen über den Ultraschallwandler zum Einsatz kommen.
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Vorschriften und Maßnahmen zum Explosionsschutz, im Folgenden auch als Ex-Schutz bezeichnet, sind nicht nur in Kraftwerken, Tanklagern und der chemischen Industrie sondern auch in der verarbeitenden Industrie von großer Bedeutung. Um die Risiken einer Explosion, ausgelöst durch technische Geräte an explosionsgefährdeten Standorten zu minimieren, existieren Exgeschützte Zonen bzw. Bereiche mit strengen Sicherheitsbestimmungen. Grundlegend geregelt wird die Thematik des Ex-Schutzes durch gesetzliche Bestimmungen, wie z. B. die ATEX-Richtlinien der Europäischen Union oder den National Electrical Code (NEC) in den USA.
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Neben der Einhaltung der gesetzlich geregelten Sicherheitsbestimmungen in EX-geschützten Bereichen ist es zusätzlich notwendig, regelmäßig die in diesen Bereichen befindlichen Anlagen zu überwachen.
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Stand der Technik
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Für die Überwachung von Objekten bzw. Anlagen in Ex-geschützten Bereichen sind unterschiedliche Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie bspw. Ultraschall-Impuls-Echo, Radiografie oder Magnetpulvereindringprüfung bekannt, die periodisch durchgeführt werden. Allerdings müssen für eine Prüfung der Sensor bzw. das Prüfgerät zum Prüfobjekt geführt und am Objekt Tätigkeiten durchgeführt werden. Damit ist häufig ein Stillstand und zeitweiser Ausfall (Produktionsstopp) der technischen Anlage verbunden. Bei der Überprüfung von flüssigkeits- oder gasgefüllten Behältern oder Rohrleitungen kann es je nach Prüfverfahren zusätzlich notwendig sein, den Behälter bzw. die Rohrleitung vor der Prüfung zu entleeren.
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Für eine Überwachung von Druckgeräten während des Betriebes ist die Technik der Schallemissionsprüfung (AE: Acoustic Emission) bekannt. Die Anlage muss hier nicht entleert oder die Produktion gestoppt werden. Die entsprechenden Sensoren werden in Ex-geschützter Ausführung bereitgestellt und am Messobjekt angebracht. Schallwellen wie sie bei Belastung durch Biegung, Druck oder Zug in den metallischen Druckgeräten entstehen, werden über einen Schallwandler im Sensor in elektrische Signale umgewandelt, die zur Überwachung des Objektes ausgewertet werden. Allerdings entstehen Schallemissionen nur während sich ändernder Druckbelastung oder bei aktiven Korrosionsvorgängen. Anlagen mit quasistatischer Last können so nicht überprüft werden, da die AE-Prüfung lediglich ein Risswachstum erfasst, nicht jedoch das Vorhandensein von Rissen.
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Eine Nutzung von Ultraschallprüfmethoden, bei denen aktiv Ultraschall in die Objekte eingekoppelt wird, um anhand der Ultraschallechos Risse detektieren zu können, erfordert für eine zuverlässige Messung hohe Sendeleistungen. Die damit verbundenen hohen Sendespannungen und -ströme dürfen in Ex-geschützte Bereiche nicht zugeführt werden. Ultraschalltechniken werden daher bisher lediglich für die Füllstandsüberwachung und Abstandsmessung in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt, da diese Anwendungen keine hohen Sendeleistungen erfordern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von Objekten in explosionsgeschützten Bereichen anzugeben, die die Überwachung während des Betriebes des jeweiligen Objektes bzw. der entsprechenden Anlage auch kontinuierlich ohne Stillstand der Anlage ermöglichen und auch Risse oder andere lokale Fehlstellen bei Objekten mit quasistatischer Last erfassen können.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Überwachung eines Objektes in einem explosionsgeschützten Bereich weist wenigstens einen Ultraschallwandler, einen mit dem Ultraschallwandler akustisch gekoppelten Schallwellenleiter und eine Sende- und Empfangselektronik zum Aussenden und zum Empfang von Ultraschallsignalen über den Ultraschallwandler in einem explosionsgeschützten Gehäuse auf. Der Schallwellenleiter ragt durch eine explosionsgeschützte Durchführung im Gehäuse nach außen, so dass er akustisch an das zu überwachende Objekt gekoppelt werden kann. Die Sende- und Empfangselektronik verfügt über einen Energiespeicher und eine mit dem Energiespeicher verbundene Verstärkerschaltung für eingehende Ansteuersignale für den Ultraschallwandler. Vorzugsweise ist die Sende- und Empfangselektronik mit wenigstens einer explosionsgeschützten elektrischen Verbindungsleitung verbunden, die durch eine weitere explosionsgeschützte Durchführung im Gehäuse nach außen geführt ist. Diese elektrische Verbindungsleitung dient der Übertragung der Ansteuersignale für den Ultraschallwandler von außerhalb des Gehäuses und ist mit einer externen Kontrolleinrichtung verbindbar. Grundsätzlich ist auch eine kabellose Übertragung der Ansteuersignale und vom Ultraschallwandler gewandelten Empfangssignale zwischen der Kontrolleinrichtung und der Sende- und Empfangselektronik möglich.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Überwachung eines Objektes in einem explosionsgeschützten Bereich wird der mit dem Ultraschallwandler akustisch gekoppelte Schallwellenleiter mit seinem außerhalb des Gehäuses liegenden offenen Ende akustisch an das zu überwachende Objekt gekoppelt. Der Ultraschallwandler wird über die explosionsgeschützte elektrische Verbindungsleitung und die Sende- und Empfangselektronik von außen zur Aussendung von Ultraschallsignalen angesteuert. Ein Anteil der für die Anregung des Ultraschallwandlers zur Überwachung des Objektes erforderlichen elektrischen Energie wird dabei aus dem Energiespeicher der Sende- und Empfangselektronik bereitgestellt. Die Ultraschallwellen bzw. Ultraschallsignale werden vom Ultraschallwandler über den Schallwellenleiter in das Objekt eingekoppelt, wobei ein Anteil der im Objekt reflektierten Ultraschallwellen über den Schallwellenleiter zum Ultraschallwandler zurückläuft und von diesem in elektrische Signale gewandelt wird. Aus den reflektierten und vom Ultraschallwandler gewandelten Signalen können dann in bekannter Weise Rückschlüsse über lokale Fehlstellen oder Risse im Objekt abgeleitet werden. Die elektrischen Signale können dabei bereits in der Sende- und Empfangselektronik zumindest teilweise aufbereitet oder weiterverarbeitet werden und dann über die für die Ansteuersignale genutzte elektrische Verbindungsleitung oder eine weitere explosionsgeschützte elektrische Verbindungsleitung zur Kontrolleinrichtung übermittelt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die elektrischen Signale über die Sende- und Empfangselektronik direkt über die für die Ansteuersignale genutzte elektrische Verbindungsleitung oder eine weitere explosionsgeschützte elektrische Verbindungsleitung an die Kontrolleinrichtung zu übermitteln.
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Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren kann eine permanente Überwachung von Objekten bzw. Anlagen mit Ultraschalltechnik erfolgen, ohne hierfür einen Stillstand der Anlage oder – bspw. im Falle von gefüllten Behältnissen oder Rohrleitungen – eine Entleerung der Objekte für die Prüfung veranlassen zu müssen. Die Vorrichtung lässt sich dabei auch dauerhaft an den zu überwachenden Objekten installieren. Die für den Betrieb der Vorrichtung und zum Nachweis besonders kleiner Fehlstellen, insbesondere an großen zu prüfenden Objekten, erforderliche hohe Sendeleistung des Ultraschallwandlers wird hierbei zum Teil über den im explosionsgeschützten Gehäuse angeordneten Energiespeicher und die zugehörige Verstärkerschaltung bereitgestellt. Damit können hohe Sendespannungen und/oder -ströme erzeugt werden, ohne diese über die elektrische Verbindungsleitung übertragen zu müssen. Die über die elektrische Verbindungsleitung übertragene elektrische Leistung wird dabei so gewählt, dass sie unterhalb der für explosionsgeschützte Bereiche vorgeschriebenen Sicherheitsanforderungen liegt. Da die jeweils fehlende Energie im explosionsgeschützten Gehäuse selbst bereitgestellt wird, erfüllt die Vorrichtung diese Sicherheitsanforderungen, ermöglicht die dauerhafte Überwachung der Objekte ohne Stillstand der Anlage und stellt ausreichend Ultraschall-Sendeleistung bereit, um auch kleine Fehlstellen oder Risse im stationären Zustand der Objekte zuverlässig erfassen zu können.
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Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lassen sich nicht nur Ultraschallprüfungen durchführen. Es kann auch die Schallemission der Objekte für eine Schallemissionsprüfung (AE) durch Auswertung der über den Schallwellenleiter vom Objekt zum Ultraschallwandler laufenden und vom Ultraschallwandler in elektrische Signale gewandelten Schallwellen durchgeführt werden. Dies kann bspw. in Sendepausen des Ultraschallwandlers erfolgen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können durch die Nutzung der Ultraschallprüfung Risse in den Objekten angeschallt und deren Reflexions- und Transmissionseigenschaften zur Fehlerlokalisierung weitgehend unabhängig vom Lastzustand der Objekte bzw. der Anlage genutzt werden. Die Fehlerechos werden höher, wenn höhere Sendespannungen und -ströme und damit höhere resultierende Sendeenergien genutzt werden können. Während bisher bekannte AE-Sensoren für die Schallemissionsprüfung aufgrund ihrer eigensicheren Auslegung und ihrer maximal zulässigen Energie auf 20 μJ–160 μJ begrenzt sind, können mit der vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. dem durch diese Vorrichtung realisierten Sensor deutlich höhere Sendeenergien in den explosionsgeschützten Bereichen genutzt werden. Die Schadensdetektion kann dabei unter Nutzung des AE-Verfahrens unmittelbar und/oder durch Nutzung der Ultraschallprüfung durch Aussenden und Empfang von Ultraschallsignalen (AU: Acousto-Ultrasonic) auch nach der Entstehung eines Risses erfolgen. Dies beugt Folgeschäden an den Objekten vor und mindert somit die Betriebs- und Kostenrisiken der Betreiber.
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Der Schallwellenleiter wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise so gewählt, dass die Übertragung der Ultraschallsignale in das Objekt weitgehend dispersionsfrei erfolgt. Dies kann bspw. mit einem Schallwellenleiter erreicht werden, der eine stabförmige, zylindrische Geometrie über den größten Teil seiner Länge aufweist. Zur Einkopplung der Ultraschallsignale vom Ultraschallwandler in den Schallwellenleiter kann eine trichterförmige Geometrie des Schallwellenleiters am Übergang zwischen Schallwellenleiter und Ultraschallwandler genutzt werden. Die Nutzung eines weitgehend stabförmigen Schallwellenleiters hat weiterhin den Vorteil, dass damit kommerziell verfügbare explosionssichere Gehäuse mit entsprechend ausgebildeten explosionsgeschützten Durchführungen verwendet werden können, die in der Regel für die Durchführung von Kabeln ausgebildet sind. Durch die stabförmige Geometrie des Schallwellenleiters sind diese Durchführungen auch für den Schallwellenleiter geeignet.
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Der in dem explosionsgeschützten Gehäuse als Teil der Sende- und Empfangselektronik vorgesehene Energiespeicher akkumuliert elektrische Energie für den Betrieb des Ultraschallwandlers mit ausreichend hoher Sendeleistung. Die elektrische Energie kann dem Energiespeicher hierbei von außen zugeführt werden, insbesondere über die explosionsgeschützte elektrische Verbindungsleitung. Der Energiespeicher akkumuliert diese zugeführte Energie, um bei einem in Zeitabständen angesteuerten Ultraschallwandler jeweils die ausreichende Energie bereitstellen zu können. Es können elektrische Energiespeicher wie bspw. Kondensatoren oder Akkumulatoren oder auch chemische Energiespeicher (z. B. Brennstoffzellen) eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die für die Ultraschallerzeugung und/oder Versorgung der Elektronik benötigte Energie zusätzlich oder ausschließlich durch Energiewandlung aus der Umgebung außerhalb des Gehäuses entnommen. Hierzu ist ein Energiewandler elektrisch mit dem Energiespeicher verbunden, der diese Energie aus der Umgebung in elektrische Energie für den Energiespeicher wandelt. Der Energiewandler kann sich hierbei innerhalb oder außerhalb des Gehäuses befinden. In einer Ausgestaltung ist der Energiewandler als mechanisch-elektrischer Wandler ausgebildet, der bspw. Schwingungen und/oder Änderungen der potentiellen Energie und/oder Druckänderungen in elektrische Energie wandelt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Energiewandler so ausgebildet, dass er elektromagnetische, insbesondere optische Strahlung, in elektrische Energie wandelt. Vorzugsweise ist das explosionsgeschützte Gehäuse hierzu zumindest teilweise für Licht oder allgemein für einen Teil des elektromagnetischen Spektrums durchlässig, so dass der Energiewandler im explosionsgeschützten Gehäuse angeordnet sein kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Energiewandler zur Wandlung thermischer in elektrische Energie ausgebildet. Der Energiewandler kann hierbei bspw. Temperaturunterschiede in elektrische Energie wandeln. Dazu kann das explosionsgeschützte Gehäuse zur gezielten Wärmeleitung ausgelegt sein, bspw. durch Materialpaarungen, die gezielt wärmeleitend und wärmeisolierend wirken.
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Durch den Energiespeicher wird die vom Energiewandler erzeugte und/oder über die elektrische Verbindungsleitung übertragene elektrische Energie über einen Zeitraum gespeichert bzw. akkumuliert. Wenn genügend Energie gespeichert ist und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder nach Detektion eines akustischen Signals aus dem zu überwachenden Objekt oder aufgrund eines sonstigen Ereignisses, erzeugt die im Gehäuse angeordnete Sende- und Empfangselektronik ein leistungsstarkes elektrisches Ansteuersignal für den Ultraschallwandler.
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Der Schallwellenleiter wird beim Einsatz der Vorrichtung bzw. bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens akustisch an das zu überwachende Objekt gekoppelt. Dies kann stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig erfolgen. So kann der Schallwellenleiter bspw. durch Löten, Schweißen und/oder Kleben mit dem Objekt verbunden werden.
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Durch den Einsatz der vorgeschlagenen Vorrichtung und des zugehörigen Verfahrens können Anlagen bzw. Objekte von Anlagen, wie bspw. Druckbehälter und Rohrleitungen, im Einsatz und Betrieb weitgehend unabhängig vom Befüllungsgrad überwacht werden. Bei einer dauerhaft an den zu überwachenden Objekten installierten Vorrichtung lässt sich ein Structural Health Monitoring (SHM) System basierend auf der Anregung und/oder dem Empfang von Ultraschallwellen realisieren, mit dem eine permanente Überwachung der Anlage ohne Anlagenstillstand ermöglicht wird. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung ist neben der Risserkennung oder Erkennung anderer Fehlstellen auch eine Wanddickenbestimmung von Objekten in explosionsgeschützten Bereichen möglich. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung können bspw. Gefahrstoffbehälter, Öl-, Gas-, Lösemittelbehälter und Rohrleitungen, Getreide-, Mehl-, Lebensmittellager usw. oder auch Lagertanks für chemische Stoffe, Pulver usw. überwacht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen.
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1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung und des zugehörigen Verfahrens;
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2 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung; und
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3 ein Blockschaltbild einer Ausgestaltung der Sende- und Empfangselektronik der vorgeschlagenen Vorrichtung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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In 1 ist eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung schematisch dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Ultraschallwandler 5 auf, an den ein weitgehend stabförmiger Schallwellenleiter 3 akustisch gekoppelt ist. Der Ultraschallwandler 5, der als Ultraschallsensor und Ultraschallaktor arbeitet, wird über eine Sende- und Empfangselektronik 7 betrieben. Ultraschallwandler 5 und Sende- und Empfangselektronik 7 sind in einem EX-geschützten Gehäuse 6 angeordnet, welches über eine entsprechende Zündschutzart, wie bspw. Ex-e, Ex-d, Ex-m, Ex-q oder Ex-o, verfügt. Derartige Gehäuse verfügen auch über explosionsgeschützte Kabeldurchführungen 4', 4''. Eine der beiden Kabeldurchführungen 4' wird für die Durchführung des Schallwellenleiters 3 durch das Ex-geschützte Gehäuse 6 nach außen genutzt. Das außerhalb des Gehäuses 6 liegende Ende dieses Schallwellenleiters 3 ist an der Oberfläche des zu überwachenden Objektes 1 aufgeschweißt, im vorliegenden Beispiel auf einen mit einer Flüssigkeit 2 gefüllten Tank. Der Schallwellenleiter 3 dient der Übertragung des Ultraschalls vom Ultraschallwandler 5 in das Objekt 1 und von dem Objekt 1 zurück zum Ultraschallwandler 5.
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Die Sende- und Empfangselektronik 7 ist über eine elektrische Verbindungsleitung 8 durch die zweite Ex-geschützte Kabeldurchführung 4'' mit einer außerhalb des explosionsgeschützten Bereiches befindlichen Kontrolleinrichtung 10 verbunden, in der die Steuer- und Auswerteelektronik untergebracht ist. Die Trennung des explosionsgeschützten Bereiches vom sicheren Bereich wird durch die gestrichelte Linie 9 angedeutet. Die Kontrolleinrichtung 10 generiert ein Sendesignal für den Ultraschallwandler 5 mit Sendespannung und Sendestrom und damit Sendeenergie, die auf die maximal zulässigen Werte von 20 μJ bis 160 μJ entsprechend EN 60079-11 und der geltenden Zone begrenzt ist. Die im Gehäuse 6 integrierte Sende- und Empfangselektronik 7 verfügt über einen Energiespeicher, bspw. in Form elektrischer Kondensatoren, der die von der Kontrolleinrichtung 10 mit dem Signal gesendete Energie über ein Zeitintervall akkumuliert. Daraus wird im druckfesten Gehäuse 6 mit hohen Sendespannungen und -strömen und damit einer hohen resultierenden Leistung ein starkes Ultraschallsignal mit dem Ultraschallwandler 5 generiert. Eine Aufbereitung des Sendesignals wie auch eine Verstärkung des vom Ultraschallwandler erhaltenen Empfangssignals kann mit der integrierten Sende- und Empfangselektronik 7 erfolgen.
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Bei dem Betrieb einer derartigen Vorrichtung wird somit in der Kontrolleinrichtung 10 ein den Ex-Schutzanforderungen entsprechendes Sendesignal mit kleinen zulässigen Energien generiert und über die elektrische Verbindungsleitung 8 zur Sende- und Empfangselektronik 7 innerhalb des Ex-geschützten Gehäuses 6 übertragen. Die integrierte Sende- und Empfangselektronik 7 akkumuliert mit ihrem Energiespeicher die hierdurch zugeführte Sendeenergie und verstärkt das Sendesignal, um damit den Ultraschallwandler 5 anzusteuern, damit dieser eine für die Materialprüfung geeignete Ultraschallwelle erzeugt. Der Schallwellenleiter 3 ist formschlüssig mit dem zu überwachenden Objekt 1 verbunden, führt die Ultraschallwelle aus dem Gehäuse 6 heraus und überträgt diese in das Objekt 1. Im Objekt 1 an Fehlstellen wie bspw. Rissen reflektierte Ultraschallwellen laufen zum Teil über den Schallwellenleiter 3 zurück zum Ultraschallwandler 5 und werden von diesem in ein elektrisches Empfangssignal gewandelt. Dieses Empfangssignal wird über die Sende- und Empfangselektronik 7 und die elektrische Verbindungsleitung 8 zurück an die Kontrolleinrichtung 10 übertragen, in der es ausgewertet wird. Aus der Auswertung kann dann direkt auf das Vorhandensein oder die Entstehung einer Fehlstelle im Objekt geschlossen werden.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die jeweiligen Empfangssignale oder daraus abgeleitete Größen in der Kontrolleinrichtung als Werte abzuspeichern. Für die Überwachung kann dann aus den zu einem Zeitpunkt oder ausgewählten Zeitpunkten gespeicherten Werten und den zu anderen Zeitpunkten gespeicherten Werten ein Vergleichswert gebildet werden. Durch Vergleich dieses Vergleichswertes mit einem geeignet gewählten Schwellwert kann in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein Alarm ausgelöst werden, der die Entstehung einer für den Betrieb kritischen Fehlstelle anzeigt.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer möglichen Ausgestaltung des explosionsgeschützten Gehäuses und der darin untergebrachten Komponenten. Das Gehäuse besteht in diesem Beispiel aus einem Druckgehäuse 11 mit einem Druckgehäusedeckel 12, die aus dem Werkstoff SB26 gebildet sind. In diesem zertifizierten Ex-d Gehäuse befindet sich der Ultraschallwandler 15, der über eine in der Figur nicht erkennbare elektrische isolierende Keramikscheibe an einen im Übergangsbereich zum Ultraschallwandler 15 trichterförmigen Schallwellenleiter 14 ankoppelt. Der Schallwellenleiter 14 besteht aus korrosionsbeständigem Stahl und hat im zylindrischen stabförmigen Teil, der sich an den trichterförmigen Teil anschließt, einen Durchmesser von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 4 mm. Der trichterförmige Teil des Schallwellenleiters 14, der mit der Keramikscheibe des Ultraschallwandlers 15 verbunden ist, verjüngt sich dabei über eine Länge von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 4 mm vom Durchmesser des Ultraschallwandlers (Durchmesser 10 mm bis 40 mm, vorzugsweise 20 mm) auf den Stahlstiftdurchmesser von vorzugsweise 4 mm. Das Gehäuse 11, 12 hat zwei Ex-d zertifizierte Kabel- bzw. Leitungseinführungen 4' und 4'', von denen eine 4' in der 2 zu erkennen ist. Durch eine dieser Leitungseinführungen erfolgt eine Zuleitung eines elektrischen Verbindungskabels zur Ansteuerung der Sensortechnik. Die andere Leitungseinführung 4' wird zur Durchführung des stabförmigen Schallwellenleiters 14 genutzt, der direkt an das zu überwachende Objekt punktgeschweißt ist. In der 2 sind für die Bildung dieser Ex-geschützten Durchführung 4' eine Dichtungsdurchführung 18, ein Dichtungseinsatz 19, ein Dichtungsdruckring 20 sowie eine Dichtungsmutter 21 zu erkennen. Das nicht dargestellte elektrische Verbindungskabel wird zur Kontrolleinrichtung der Vorrichtung geführt. Wichtig dabei ist, dass der Anschluss des freien Leitungsendes dieses Verbindungskabels außerhalb des Ex-geschützten Bereiches liegt.
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In der 2 sind noch weitere Details des Gehäuses 11, 12 sowie der darin angeordneten Komponenten zu erkennen, wie eine Leiterplatte 13 mit der Sende- und Empfangselektronik, drei Schrauben 16, 17, 23, ein Brückenjoch 22 sowie ein Anschlagpuffer 24 für den Ultraschallwandler 15.
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Der Deckel des Gehäuses wird mit Madenschrauben fixiert und vorzugsweise verplombt, so dass ein Öffnen des Gehäuses ohne Werkzeug nicht möglich ist und ein erfolgtes Öffnen erkennbar wird. Durch die Unterbringung der elektronischen Bauteile einschließlich des vorzugsweise piezoelektrischen Ultraschallwandlers verbunden mit dem Wellenleiter in einem Ex-d Standardgehäuse ist der Einsatz der vorgeschlagenen Vorrichtung in Ex-geschützten Bereichen möglich. Durch die Möglichkeit der Verwendung eines Standardgehäuses entfallen die aufwändige und teure Entwicklung und Produktion eines Ex-geschützten Extragehäuses für diese Anwendung. Dies wird vor allem durch die Nutzung eines im Bereich der Durchführung stabförmigen zylindrischen Wellenleiters erreicht, der die vorgefertigten explosionsgeschützten Durchführungen für Kabel in einem derartigen Standardgehäuse nutzen kann, um nahezu dispersonsfrei einzukoppeln. Durch die Unterbringung der benötigten Komponenten für AU- und AE-Messungen im vorgefertigten Gehäuse ist die Kombination der beiden Messverfahren in einem platzsparenden Gehäuse möglich.
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3 zeigt schließlich in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Ausgestaltung der Sende- und Empfangselektronik mit dem Energiespeicher und der Verstärkerschaltung im explosionsgeschützten Gehäuse.
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Die Stromversorgung erfolgt über die Zuleitung 25. Im anschließenden Energiespeicher 26 wird die Energie wie bereits beschrieben zwischengepuffert. An den Energiespeicher 26 sind in diesem Beispiel ein Steuerrechner 27, die Sendeelektronik 28 mit integriertem Sendeverstärker und die Empfangselektronik 30 angeschlossen. Die Empfangselektronik 30 ist mit dem Sensor 31, die Sendelektronik 28 mit dem Aktor 29 verbunden, wobei dieser – wie hier aufgezeigt – separat zum Sensor 31 oder auch in Union mit dem Sensor 31 ausgeführt werden kann. Die elektrische Verbindungsleitung 8 zum explosionsgeschützten Gehäuse enthält im vorliegenden Beispiel als weitere Bestandteile neben der Zuleitung 25 die Datenleitung 32 zur Kommunikation mit dem Steuerrechner 27, die Sendesignalleitung 33 zum Übermitteln des Aktorsignals und die Empfangssignalleitung 34. Diese übermittelt das vom Sensor 31 aufgezeichnete und anschließend in der Empfangselektronik 30 verstärkte und weiterverarbeitete Empfangssignal in den sicheren Bereich.
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In der vorliegenden Patentanmeldung wird unter Objekt der zu überwachende Gegenstand verstanden. Dies kann bspw. ein Gefahrstoffbehälter/Reaktor zur Aufbewahrung oder Prozessierung von Öl, Gas oder Lösemitteln oder anderen Substanzen oder eine Rohrleitung oder miteinander verbundene Rohrleitungen zum Stofftransport, bspw. für Getreide, Mehl oder andere Lebensmittel, insbesondere auch für deren Stäube, oder Lagertanks für chemische Stoffe, Pulver usw. sein.
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Unter dem Ex-geschützten Bereich wird ein Teil eines Raumes oder ein Raum verstanden, der durch Normen festgelegten Regelungen zum Explosionsschutz unterliegt, beispielhaft den in ATEX-Direktiven und Richtlinien der Europäischen Union und/oder dem National Electrical Code (NEC) in den USA.
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Unter einem Ex-geschützten Gehäuse wird eine Umhüllung verstanden, die eine normenkonforme Kapselung eines nichtnormenkonformen Innenraums ermöglicht. Normenkonform bedeutet mit den jeweils aktuellen und im Anwendungsbereich gültigen Standards in Übereinstimmung.
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Unter einer Ex-geschützten Durchführung wird ein in eine Gehäuseöffnung eines Ex-geschützten Gehäuses eingebrachtes Element, durch das ein Übertragungselement, insbesondere für elektrische und/oder akustische Signale, von innen nach außen geführt wird, ohne die normgerechte Kapselung des Gehäuses zu brechen, verstanden.
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Ein Ultraschallwandler ist ein bidirektionaler elektromechanischer Wandler zum Senden und Empfangen akustischer Signale, zumindest im Bereich des Ultraschalls.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Flüssigkeit
- 3
- Schallwellenleiter
- 4'
- Ex-geschützte Durchführung
- 4''
- Ex-geschützte Durchführung
- 5
- Ultraschallwandler
- 6
- Ex-geschütztes Gehäuse
- 7
- Sende- und Empfangselektronik
- 8
- elektrische Verbindungsleitung
- 9
- Bereichsgrenze
- 10
- Kontrolleinrichtung
- 11
- Druckgehäuse
- 12
- Druckgehäusedeckel
- 13
- Leiterplatte
- 14
- Schallwellenleiter
- 15
- Ultraschallwandler
- 16
- Schraube
- 17
- Schraube
- 18
- Dichtungsdurchführung
- 19
- Dichtungseinsatz
- 20
- Dichtungsdruckring
- 21
- Dichtungsmutter
- 22
- Brückenjoch
- 23
- Schraube
- 24
- Anschlagpuffer
- 25
- Zuleitung für Stromversorgung
- 26
- Energiespeicher
- 27
- Steuerrechner
- 28
- Sendeelektronik
- 29
- Aktor
- 30
- Empfangselektronik
- 31
- Sensor
- 32
- Datenleitung
- 33
- Sendesignalleitung
- 34
- Empfangssignalleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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