DE102013114382A1

DE102013114382A1 - Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung mit einem Eintauchkörper

Info

Publication number: DE102013114382A1
Application number: DE102013114382.2A
Authority: DE
Inventors: Pavo Vrdoljak
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung, vorzugsweise einer Temperaturmessvorrichtung, mit einem Eintauchkörper (10), wie bspw einem Schutzrohr, wobei, vorzugsweise vermittels eines ersten Messaufnehmers (S1), eine erste Auslenkung, vorzugsweise eine aus der ersten Auslenkung (A1) abgeleitete erste Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers (10) bestimmt wird, wobei, vorzugsweise vermittels eines zweiten Messaufnehmers (S2), eine zweite Auslenkung (A2), vorzugsweise eine aus der zweiten Auslenkung abgeleitete zweite Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers (10) bestimmt wird, und wobei anhand der ersten und der zweiten Auslenkung (A1, A2) ein Zustand, der die mechanische Belastung des Eintauchkörpers (10), bspw. aufgrund einer stationären und/oder dynamischen Belastung, welcher der Eintauchkörper (10) bspw. aufgrund einer Strömung (S) ausgesetzt ist, angibt, bestimmt wird und vorzugsweise ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung, vorzugsweise eines Thermometers, mit einem Eintauchkörper, wie bspw. einem Schutzrohr eines Thermometers, auf die Verwendung des Verfahrens, auf ein Thermometer zur Durchführung des Verfahrens, auf einen Prüfstand zur Bestimmung einer mechanischen Belastung eines Eintauchkörpers, wie bspw. eines Schutzrohres, sowie die Verwendung einer vermittels des Prüfstands ermittelten Schwingungsfrequenz bzw. Auslenkung.
Unter anderem aus dem American national Standard ASME PTC 19.3 TW-2010 sind Schutzrohre sowie Verfahren zum Prüfen als auch Auslegen der Schutzrohre bekannt geworden.
Auch aus dem Whitepaper „Thermowell Calculations" 0084-0200-2654, http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/pm%20rosemount%20doc uments/00840-0200-2654.pdf sind derartige Schutzrohre und die bei Einbau und Betrieb zu beachtenden Problemstellungen erörtert.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2011028220 A2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer Temperaturmessstelle in einem industriellen Verfahren durch Erfassen der Schwingungsfrequenz eines Schutzrohres bekannt geworden. Das Schutzrohr ist dabei in einem Prozessfluid-Strömungskanal angeordnet. Die Vorrichtung dient dort zum Bereitstellen einer Diagnoseausgabe basierend auf der erfassten Vibrationsfrequenz des Schutzrohrs. Die Vorrichtung dort weist eine Temperaturmessstelle mit einem Schutzrohr, einen nicht näher beschriebenen Vibrationssensor und einen Temperatursensor auf. Der Vibrationssensor ist fest an einer Stelle mit dem Schutzrohr befestigt. Durch eine derartige Vorrichtung können aber nicht sämtliche Schwingungen, die zu einem Schwingungsbruch oder einer mechanischen Belastung des Schutzrohrs führen, erfasst werden.
Insbesondere hat es sich als problematisch herausgestellt, die tatsächlichen im Betrieb auftretenden Schwingungen mit den Eigenschwingungen des Schutzrohrs zu vergleichen, da im Betrieb insbesondere die geometrische Einbausituation, die Geometrie des Eintauchkörpers selbst, die Eigenschaften des Messstoffs, das Material und die Wandstärke des Behälters etc. entscheidenden Einfluss auf die Eigenschwingungen des Schutzrohrs im eingebauten Zustand haben.
Zudem kann es, wie bspw. in der o.g. ASME beschrieben, nicht nur zu Schwingungen des Schutzrohrs in Strömungsrichtung des Messstoffs in Folge von Wirbelablösung kommen, sondern es können sich auch Schwingungen senkrecht zur Strömungsrichtung ergeben. Ferner kann es auch aufgrund des statischen Drucks der Strömung des Messstoff zu einer statischen Auslenkung und somit zu einer stationären mechanischen Belastung des Schutzrohrs kommen. Alle diese Faktoren tragen insgesamt zur mechanischen Belastung des Schutzrohrs bei.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Überwachung eines Schutzrohres anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung, vorzugsweise eines Thermometers, mit einem Eintauchkörper, wie bspw. einem Schutzrohr eines Thermometers, die Verwendung des Verfahrens, ein Thermometer zur Durchführung des Verfahrens, einen Prüfstand zur Bestimmung einer mechanischen Belastung eines Eintauchkörpers, wie bspw. eines Schutzrohres, sowie die Verwendung einer vermittels des Prüfstands ermittelten Schwingungsfrequenz bzw. Auslenkung gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung, vorzugsweise einer Temperaturmessvorrichtung, mit einem Eintauchkörper, wie bspw einem Schutzrohr gelöst, wobei, vorzugsweise vermittels eines ersten Messaufnehmers, eine erste Auslenkung, vorzugsweise eine aus der ersten Auslenkung abgeleitete erste Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers bestimmt wird, wobei, vorzugsweise vermittels eines zweiten Messaufnehmers, eine zweite Auslenkung, vorzugsweise eine aus der zweiten Auslenkung abgeleitete zweite Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers bestimmt wird, und wobei anhand der ersten und der zweiten Auslenkung ein Zustand, der die mechanische Belastung des Eintauchkörpers, bspw. aufgrund einer stationären und/oder dynamischen Belastung, welcher der Eintauchkörper bspw. aufgrund einer Strömung ausgesetzt ist, angibt, bestimmt wird und vorzugsweise ausgegeben wird.
Es ist eine der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis, dass nicht unbedingt die Schwingungsfrequenzen und schon gar nicht eine einzelne Schwingungsfrequenz ausschlaggebend sind für die mechanische Belastung welcher ein Schutzrohr unterliegt. Vielmehr spielt die Amplitude, d.h. die Auslenkung, die bspw. bei einer bestimmten Frequenz oder einem bestimmten Frequenzbereich erfolgt, eine entscheidende Rolle, wenn es um die Bestimmung der mechanischen Belastung des Schutzrohres geht.
Derartige Eintauchkörper, wie eben bspw. Schutzrohre zur Temperaturmessung oder auch Tauchrohre, Armaturen oder sog. Sensorschleusen dienen zur Aufnahme eines Messeinsatzes bspw. zur Temperaturbestimmung bzw. einer Messzelle bspw. zur pH-Wert Bestimmung. Diese Eintauchkörper sind dann zumindest abschnittsweise soweit sie in den Prozess hineinragen dem Messstoff, auch als Prozessmedium bezeichnet, ausgesetzt.
Vorliegend wird vorgeschlagen, eine Auslenkung, d.h. eine Längenänderung (des Schutzrohres), bspw. ein lokale Längenänderung in einem Teilbereich des Schutzrohres, bspw. durch Stauchung bzw. Streckung bedingt, oder eine Abstandsänderung (des Schutzrohres zu einem Referenzpunkt) zu erfassen. Es kann nicht nur eine erste Auslenkung sondern auch eine zweite Auslenkung des Schutzrohres bestimmt werden. Anhand der mindestens einen Auslenkung kann dann ein Zustand der einer dynamischen und/oder statischen mechanischen Beanspruchung des Eintauchkörpers entspricht bestimmt werden.
Der Zustand kann dann bspw. angeben, ob eine bestimmte vorgegebene maximale Auslenkung oder damit verbundene Belastung des Eintauchkörpers erreicht wird bzw. wurde und bspw. mit einem Bruch des Eintauchkörpers aufgrund von Materialermüdung zu rechnen ist. Die kann bspw. in Form eines digitalen Signals kommuniziert werden oder auf einer entsprechenden Anzeige, bspw. auf einem Vor-Ort-Display oder vermittels einer LED etc. signalisiert werden.
Insbesondere kann durch die Überwachung der Auslenkung in verschiedene (Raum-)Richtungen, eine vorhandene Schwingung nicht übersehen werden, und somit zuverlässig eine mechanische (Über-)Beanspruchung des Eintauchkörpers erfasst werden.
Ferner kann eine erste und eine zweite Schwingungsfrequenz des Eintauchkörpers bestimmt werden. Somit kann nicht nur eine räumliche Schwingungsmode des Eintauchköpers erfasst werden, sondern eben auch eine Überlagerung von mehreren räumlichen Schwingungen des Eintauchkörpers.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erste Auslenkung in einer zur zweiten Auslenkung unterschiedlichen räumlichen Richtung, vorzugsweise orthogonal dazu, bestimmt.
Wie bereits erläutert, wird dadurch somit nicht nur eine Schwingung des Eintauchkörpers in eine räumliche Richtung erfasst, bspw. quer zur Strömungsrichtung des Messstoffs, sondern auch eine in Strömungsrichtung des Messstoffs auftretende Schwingung. Dabei kann dann nicht nur die Frequenz, mit der der Eintauchkörper schwingt, erfasst werden, sondern es kann aus der Auslenkung die Amplitude bestimmt werden. Andererseits reicht es für die Bestimmung der Frequenz, aus die Auslenkung bzw. Amplitude im Falle einer Schwingung des Schutzrohres zu erfassen.
Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, den Messaufnehmer unmittelbar am Schutzrohr anzubringen, obwohl dies natürlich möglich ist. Vielmehr kann es auch ausreichen die Schwingung des Messrohrs zu erfassen, indem die Wandung in der Nähe des Einbauortes an dem Behälter an dem der Eintauchkörper, bspw. das Schutzrohr, befestigt ist zu überwachen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass diese bspw. in Abhängigkeit der Einbaugeometrie und der Dicke der Wandung mitschwingt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird, vorzugsweise vermittels eines dritten Messaufnehmers, eine dritte Auslenkung, vorzugsweise eine dritte Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers bestimmt. Dies kann vorgesehen sein, um die Schwingung des Eintauchkörpers in alle drei Raumrichtungen zu überwachen. So können auch Schwingungen auftreten, die nicht nur in oder quer zur Strömungsrichtung auftreten, sondern auch einen hub des Eintauchkörpers verursachen und somit ebenfalls zu einer mechanischen Belastung des Eintauchkörpers führen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Bestimmung der ersten, zweiten bzw. dritten Auslenkung in zueinander unterschiedlichen, vorzugsweise orthogonalen, Richtungen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Auslenkung nicht in zueinander orthogonale Richtungen erfolgt, sondern bspw. in einem Winkelversatz von bspw. ca. 45°.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die erste Auslenkung und die zweite Auslenkung, vorzugsweise auch die dritte Auslenkung an einem im eingebauten Zustand dem Messstoff abgewandten Seite des Eintauchkörpers, vorzugsweise des im eingebauten Zustand auf einer Seite des Eintauchkörpers, das dem Messstoff ausgesetzt wird, gegenüberliegenden Seite eines Prozessanschlusses des Eintauchkörpers, bestimmt. Die Erfassung erfolgt somit vorzugsweise außerhalb des Behälters an dem der Eintauchkörper befestigt ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird anhand der ersten Auslenkung eine erste Belastungskomponente bestimmt, welche erste Belastungskomponente einen bestimmten Betrag einer Kraft auf den Eintauchkörper in eine bestimmte Richtung angibt. Bspw. kann anhand eines Elastizitätsmodells die mechanische Belastung und die auf den Eintauchkörper, bei dem es sich bspw. um ein Schutzrohr handelt, wirkenden Kräfte bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird anhand der zweiten Auslenkung ein zweiter Belastungsvektor bestimmt, welcher zweite Belastungsvektor einen bestimmten Betrag einer Kraft auf den Eintauchkörper in eine bestimmte Richtung angibt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird anhand der ersten und/oder der zweiten Auslenkung eine erste, bspw. longitudinale, Schwingungsfrequenz und/oder eine zweite, bspw. transversale, Schwingungsfrequenz des Eintauchkörpers insbesondere in Bezug auf die Belastungshauptrichtung bestimmt. Somit kann bspw. bestimmt werden, ob und welche Auslenkungen das Schutzrohr erfährt. Insbesondere kann dabei die Form der Schwingungskurve, die der Eintauchkörper durchläuft, bspw. vermittels des Frequenzverhältnisses bzw. der Phasendifferenz, bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird anhand der ersten und/oder der zweiten Auslenkung ein auf den Eintauchkörper wirkender Staudruck bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die erste und die zweite Auslenkung vermittels eines Temperturmesswertes, der vorzugsweise vermittels wenigstens eines Temperaturmessaufnehmers, bspw. eines Thermometers, welcher Temperaturmessaufnehmer bspw. in dem Eintauchkörper oder einem Anschlusskopf angeordnet ist, bestimmt wird, korrigiert. Die oftmals nur unterhalb eines Millimeters liegenden Auslenkungen des Eintauchkörpers werden bspw. von temperaturbedingten Längenausdehnungen überlagert. Somit ist es insbesondere im Falle eines Thermometers oder einer Temperaturmessvorrichtung möglich, den sowieso bspw. vermittels eines Temperaturmessaufnehmers bereit gestellten Temperaturmesswert zur Korrektur der gemessen Auslenkung zu verwenden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Messaufnehmer um einen berührungslosen, vorzugsweise optischen, Messaufnehmer, der die erste, zweite bzw. dritte Auslenkung bspw. anhand einer Interferenzmessung bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Auslenkungsbestimmung, bspw durch Interferenzmessung, anhand einer Reflexion eines optischen Signals an dem Eintauchkörper, vorzugsweise an dem im eingebauten Zustand dem Messstoff abgewandten Ende des Eintauchkörpers. Andererseits kann Auslenkungsmessung anhand einer der Positionsänderung des optischen Signals erfolgen. Bspw. kann eine Split-Diode mit mehreren Quadranten zur Bestimmung einer Positionsänderung des optischen Signals verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird anhand der ersten und/oder der zweiten Auslenkung eine Anregungsfrequenz des Eintauchkörpers bestimmt, welche Anregungsfrequenz bspw. durch eine Wirbelablösung an dem Eintauchkörper erfolgt, insbesondere in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Messstoffs durch den Behälter.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die erste und/oder die zweite Auslenkung anhand eines Dehnungsmessstreifens, bspw. eines Rosetten-DMS, bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird bspw. die erste und/oder die zweite Auslenkung bzw. ein Messsignal des Dehnungsmessstreifens vermittels eines Temperaturwertes, welcher Temperaturwert, vorzugsweise vermittels eines Temperaturmessaufnehmers des Thermometers ermittelt wird, korrigiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Zeitspanne erfasst, in welcher der Eintauchkörper eine vorgegebene Auslenkung bzw. einen Auslenkungsbereich und/oder eine vorgegebene Schwingungsfrequenz bzw. Schwingungsfrequenzbereich durchläuft. Somit kann die Dauer für die ein Eintauchkörper mit einer bestimmten Frequenz oder in einem bestimmten Frequenzbereich schwingt, bestimmt und/oder ermittelt und zur Bestimmung eines Zustands, der die mechanische Belastung des Schutzrohres angibt, herangezogen werden. Insbesondere kann ermittelt werden, wie lange der Eintauchkörper mit der ersten Frequenz (in die erste Richtung) und mit der zweiten Frequenz (in die zweite Richtung) schwingt bzw. geschwungen hat. Insbesondere kann auch die Dauer eines bestimmten Frequenzverhältnisses erfasst und zur Bestimmung des Zustandes des Eintauchkörpers, bei dem es sich vorzugsweise um eine Schutzrohr für einen Messeinsatz handelt, oder allgemein zur Durchführung einer Diagnose des Schutzrohres verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird diese Zeitspanne somit zur Bestimmung des Zustands, der die mechanische Belastung des Eintauchkörpers angibt, verwendet.
Hinsichtlich der Verwendung wird die Aufgabe durch die Verwendung des Verfahrens im Betrieb einer Messvorrichtung, vorzugsweise eines Thermometers, bei bspw. in einen Behälter eingebautem Eintauchkörper oder in einem Prüfstand gelöst.
Hinsichtlich des Thermometers wird die Aufgabe durch ein Thermometer mit einem Eintauchkörper, wie einem Schutzrohr, zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorherigen Ausführungsformen gelöst. Ein derartiges Thermometer weist also bspw. zumindest einen Messaufnehmer auf, der zur Bestimmung einer Auslenkung dient. Ein derartiges Thermometer kann stattdessen oder zusätzlich wenigstens einen Messaufnehmer aufweisen, der zur Bestimmung einer ersten und einer zweiten Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers dient.
Hinsichtlich des Prüfstands wird die Aufgabe durch einen Prüfstand zur Bestimmung einer mechanischen Belastung eines Eintauchkörpers, wie bspw. eines Schutzrohres, gelöst, wobei der Prüfstand einen Eintauchkörperadapter zur Aufnahme des Eintauchkörpers aufweist, wobei der Prüfstand ferner wenigstens einen, vorzugsweise optischen, Messaufnehmer aufweist, der zur, besonders bevorzugt berührungslosen, Bestimmung einer ersten und vorzugsweise einer zweiten Auslenkung des Eintauchkörpers dient. Der Prüfstand kann somit zur Vermessung des Eintauchkörpers dienen, um im Betriebsfall, d.h., im in einer Anlage eingebauten Zustand, das Verhalten des Eintauchkörpers (bspw. in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Messstoffs oder sonstigen messstoffbedingten Eigenschaften wie Viskosität etc.), bei dem es sich vorzugsweise um eine Schutzrohr handelt, vorherzusagen und somit auch eine zuverlässige Überwachung des Eintauchkörpers zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform des Prüfstands werden Messsignale des optischen Messaufnehmers von dem Eintauchkörper oder wenigstens eines daran angebrachten Reflexionselementes reflektiert. Bspw. können zu diesem Zweck Refexionselemente an dem Eintauchkörper angebracht werden, oder die Oberfläche des Eintauchkörpers in bestimmten Bereichen entsprechenden funktionalisiert, bspw. oberflächenpoliert oder oberflächenbehandelt, sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Prüfstands werden Messsignale des optischen Messaufnehmers daher von dem Eintauchkörperadapter oder daran angebrachten Reflexionselementen reflektiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Prüfstands ist der Eintauchkörperadapter über zumindest ein Verbindungselement mit einer Haltevorrichtung verbunden, wobei das wenigstens ein Verbindungselement eine geringere Steifigkeit aufweist als die Haltevorrichtung. In einer Ausführungsform des Prüfstands ist der Prüfstand vermittels der Haltevorrichtung an einem Behälter, durch welchen ein Messstoff strömbar ist, angebracht.
In einer Ausführungsform des Prüfstands ist der wenigstens eine optische Messaufnehmer auf der Haltevorrichtung angeordnet.
In einer Ausführungsform des Prüfstands ist der Eintauchkörperadapter über eine Membran, vorzugsweise messstoffdicht, mit der Haltevorrichtung verbunden.
In einer Ausführungsform des Prüfstands dient der Prüfstand dazu, insbesondere vermittels Auslegung des Verbindungselementes und/oder des Eintauchkörperadapters, Einbaubedingungen, wie bspw. eine Einbaugeometrie oder die Steifigkeit, der Wandung eines Behälters, zu simulieren.
Hinsichtlich einer weiteren Verwendung wird die Aufgabe durch die Verwendung eines vermittels des Prüfstands nach einem der vorherigen Ansprüche ermittelten Wertes einer Schwingungsfrequenz und/oder einer Auslenkung des Eintauchkörpers bzw. des Eintauchkörperadapters im Messbetrieb eines Thermometers zur Bestimmung eines Zustands, der die mechanischen Belastung des Eintauchkörpers angibt, gelöst.
Der Prüfstand kann somit zur (zuverlässigen) Vorhersage des Verhaltens des Eintauchkörpers verwendet werden. Ein entsprechend in Abhängigkeit eines Grenzwerts oder Kenntnis des Verhaltens in dem Prüfstand gewählter Schwellwert kann dabei von besonderem Vorteil für die Beurteilung der mechanischen Belastung des Schutzrohrs sein.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung möglicher Auslenkungen eines Schutzrohrs,
2a, 2b): eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht auf einen Prüfstand umfassend einen Eintauchkörper, Eintauchkörperadapter, eine Membran und eine Halteplatte,
3: eine perspektivische Ansicht, einer Ausführungsform des Prüfstands,
4: einen auf einen Strömungskanal aufgesetzten Prüfstand,
5: ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung eines Zustands eines Eintauchkörpers,
6: eine erste Ausführungsform eines Thermometers mit einem Schutzrohr,
7: eine zweite Ausführungsform eines ersten Thermometers mit einem Schutzrohr,
8: eine dritte Ausführungsform eines ersten Thermometers mit einem Schutzrohr.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Eintauchkörper. Hier ist ein Schutzrohr 10 gezeigt, das zur Aufnahme eines Messeinsatzes M dient, der in das Schutzrohr 10 einführbar ist. Dafür weist das Schutzrohr 10 eine Aufnahme in Form eines innerhalb des Schutzrohr 10 gelegen, bspw. ebenfalls zylindrischen, Hohlraumes auf. Das Schutzrohr 10 hat dabei einen im Wesentlichen zylindrischen Querschnitt, d.h. seine äußere Kontur entspricht der eines Zylinders.
In 1 ist neben dem Schutzrohr 10 schematisch eine erste und eine zweite Auslenkungsrichtung A1, A2 bzw. Schwingungsrichtung A1, A2 dargestellt. Im eingebauten Zustand kommt es aufgrund der Strömung bzw. der Strömung S bzw. Strömungsrichtung eines Messstoffs in einem Behälter, in den auch das Schutzrohr 10 teilweise eingesetzt ist unter Umständen zu einer Wirbelablösung von dem Schutzrohr 10 und also zu einer Auslenkung bzw. Schwingung entlang der durch A2 angedeuteten Richtung.
Ferner kann es aufgrund von Pulsationen in der Strömungsgeschwindigkeit oder anderen durch in Richtung der Strömung S wirkenden Kräften zu einer Auslenkung des Schutzrohres 10 in Richtung A1 kommen.
Sowohl die Auslenkung in Richtung A1, als auch die Auslenkung in Richtung A2 kann somit zu einem Hub des Schutzrohres führen, d.h. es kann zu einer Auslenkung des Schutzrohres 10 in eine Richtung die aus der zeichenebene hinausragt kommen.
Zudem ist nicht nur eine dynamische Auslenkung in Richtung A1 bzw. A2 möglich, sondern es ist auch eine statische Auslenkung, die durch den auf das Schutzrohr 10 wirkenden Staudruck der Strömung S verursacht wird, möglich.
Diese Auslenkung ist bezüglich des Mittelpunkts des zylindrischen und/oder zumindest abschnittweise rotationssymmetischen Schutzrohres, durch den die Längsachse des Schutzrohres 10 verläuft, in 1 durch den Abstand zw. den mit Bezugszeichen R1 und R2 gegebenen Punkten gezeigt, wobei R1 die Ruhelage und R2 die Auslenkung aufgrund des statischen Staudrucks angibt.
2a zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Prüfstand bzw. eines Bauteils, das auch in einem Thermometer Verwendung finden kann. Das Schutzrohr 10 wird an einen Adapter 11 angebracht. Der Adapter 11 ist wiederum über eine Membran 12 mit einem Teil einer Haltevorrichtung, hier einer Bodenplatte 13, verbunden.
2b zeigt eine seitliche Ansicht auf einen Teil eines Prüfstands bzw. eines Thermometers gem. 2a. Eintauchkörper bzw. Schutzrohr 10, Eintauchkörperadapter 11, Membran 12 und eine Halteplatte 13 sind zu erkennen.
Es ist auch möglich das Schutzrohr 10 direkt mit der Membran 12 zu verbinden. Mechanisch kann also vorgesehen sein, dass das Schutzrohr 10 über die Membran 12 mit der Halteplatte 13 koppelt.
Es ist somit möglich, einen oder mehrere entsprechende Messaufnehmer, wie im Folgenden diskutiert, auf dem Adapter 11 und/oder der Membran 12 anzubringen, um eine Auslenkung des Schutzrohr 10 und des damit gekoppelten Adapters 11 und/oder der damit gekoppelten Membran 12 zu erfassen.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht, einer Ausführungsform des Prüfstands. Hier ist der Adapter 11 für das Schutzrohr 10 über Biegesäulen 16 mit einer Halteplatte 15 verbunden. Die Halteplatte 15 ist wiederum über Haltesäulen 14 mit der Bodenplatte 13 verbunden, zur Funktionsweise weiter unten.
Auf der Bodenplatte 13 sind ein erster und ein zweiter optischer Messaufnehmer S1, S2, die jeweils eine Auslenkung der Adapterplatte 11 in eine bestimmte Raumrichtung messen, angebracht. Alternativ können, wie bereits erwähnt, Dehnungsmesstreifen verwendet werden. Dies ist aber u.a. abhängig von der jeweiligen Applikation und den zu erwartenden Längen- bzw. Temperaturänderungen.
Ein dritter Messaufnehmer S3 dient dann zur Erfassung einer Auslenkung in eine weitere Raumrichtung. Wie in 3 gezeigt, sind die Raumrichtungen alle unterschiedlich und stehen sogar senkrecht zueinander. Der Messaufnehmer S3 kann anstelle auf dem Adapter 11 auch auf der Halteplatte 15 angebracht sein. Zudem ist es möglich entsprechende Strahlengänge vorzusehen, so dass der Messaufnehmer S3 ebenfalls auf der Halteplatte 13 angeordnet werden kann.
Die Sensorsignale, d.h. das Signal zumindest eines Messaufnehmers S1, S2, S3, auch Sensor genannt, der zur Bestimmung der Auslenkung dient, können dann an eine Recheneinheit weitergegeben werden. Es ist auch möglich, eine Vor-Ort-Elektronik eines Messumformers, auch Transmitter genannt, bspw. des Messumformers eines Thermometers, zur Auswertung des wenigstens einen Signals zu verwenden
4: einen auf einen Strömungskanal 20 aufgesetzten Prüfstand 30. Der Aufbau besteht aus vier Einheiten: Einem Strömungskanal 20, einem Messaufbau zur Aufnahme von Belastungen durch mechanische Anströmkräfte sowie von Schwingungsanregungen in transversaler- und longitudinaler Richtung, einer System-Rechnereinheit mit Schnittstellen (bspw. PC / Prozessrechner) und einem Prüfling (Schutzrohr).
Der Strömungskanal, in welchem definiert flüssige- und/oder gasförmige Medien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Temperaturen in homogener bzw. inhomogener Phasenzustandsverteilung fließen können, besitzt an seiner Oberseite eine Aussparung für den Messaufbau.
Beim Messaufbau wird die Bodenplatte 13, welche gasdicht in die Aussparung des Strömungskanals 20 montiert. In der Aussparung der Bodenplatte 13 des Messaufbaus ist eine flexible Membran 12 (aus flexiblem Kunststoff oder Metallbalg) mit Schutzrohradapter 11 eingelassen. Die Dichtigkeit wird durch bekannte Maßnahmen wie Pressklemmung, im Fall eines Metallbalgs durch Anschweißung geschaffen. Der Schutzrohradapter 11 besteht im Wesentlichen aus einer Platte (Adapterplatte 11) mit Bohrung in der der Prüfling 10 gesteckt und arretiert wird. Die Arretierung wird mittels entsprechenden Arretierungsmöglichkeiten für den Prozessanschluss des Prüflings (Gewinde, Flanschadapter, Klemmverschraubungen) bewerkstelligt. Auf der Bodenplatte 13 ist neben der Adapterplatte 11 eine Haltevorrichtung 14 montiert, bestehend aus vier massiven Metallstäben gleicher Länge und Durchmesser und einer auf den Stäben angebrachten zweiten Platte (Halteplatte 15). Die Haltevorrichtung ist über die Bodenplatte 13 fest mit dem Strömungskanal 20 verbunden und damit unbeweglich. Beweglich hingegen ist die Adapterplatte 11 aufgrund der Membran 12. Diese Beweglichkeit wird über sog. Biegesäulen 16 (Stäbe aus Metall), die zwischen der Halteplattenunterseite und Adapterplattenoberseite montiert sind, eingeschränkt.
Wird in den Adapter 11 ein Prüfling (Schutzrohr 10) montiert und durch den Strömungskanal 20 ein Medium mit definierter Geschwindigkeit geleitet, so wirkt aufgrund der seitlichen Beströmung des Prüflings ein Staudruck auf das Schutzrohr 10. Diese Kraft bewirkt eine Auslenkung der Adapterplatte 11, wobei die Rückstellkraft über die vier Biegesäulen 16 bewerkstelligt wird. Aufgrund des Kräftegleichgewichts zwischen Staudruck am Prüfling und der Rückstellkraft, erfährt die Adapterplatte eine feste Auslenkung gegenüber ihrer Ruheposition (Position ohne Beströmung). Die Größe dieser Kraft kann schließlich über die auftretende Spannung der Biegesäulen bestimmt werden. Diese Spannung ergibt sich dabei aus der Auslenkung in x-, y- und z-Richtung der Adapterplatte (gemessen über eine laserbasierte Positionsbestimmung und dem bekanntem E-Modul der Biegesäulen. Diese Positionsmessung kann hierbei über Interferometrie oder reflektorisch über Spiegel und 4-segmentigen Detektionsdioden erfolgen.
Ein mögliches Ablaufdiagramm zur Bestimmung eines Zustands eines Eintauchkörpers ist in 5 gezeigt. Die Recheneinheit berechnet gem. 5 aus den Signalen der Positionsbestimmung die Auslenkung. Daraus wird mit Hilfe des bereits bekannten E-Moduls der Biegesäulen und der vorab eingegebenen Schutzrohrgeometrie die auf das Schutzrohr auftretende Strömungsbelastung berechnet bspw. und grafisch dargestellt. Zudem wird aus der Periodizität des Positionssignals die Schwingungsanregung (hervorgerufen durch die Karmánsche Wirbelablösung aufgrund der Umströmung) des Schutzrohrs ermittelt. In einem weiteren Programmschritt wird die Schwingungsanregung des Schutzrohrs in einen transversalen- und einen longitudinalen Anteil zerlegt und dargestellt. Durch eine Analyse, in welcher das Verhältnis der Anregungsfrequenzen und der (zuvor ermittelten) Eigenfrequenz evaluiert wird, können zusammen mit den Belastungsergebnissen sicherheitsrelevante Aussagen über die Schutzrohrstabilität gemacht werden.
6 zeigt eine Ausführungsform eines Thermometers mit einem Messaufnehmer S1 vermittels dem eine Auslenkung des Schutzrohres 10 bestimmt. Dabei ist der Messaufnehmer S1 an der Wandung des Behälters B angebracht, an dem das Schutzrohr 10 angebracht ist. Der Messaufnehmer S1 dient dann dazu, eine Auslenkung des Schutzrohrs 10, die sich auf die Behälterwandung in der Umgebung des Schutzrohrs 10 auswirkt zu erfassen.
Dabei kann der Messaufnehmer S1 nicht nur zur Bestimmung der Auslenkung in eine (Raum-)Richtung sondern zur Bestimmung der Auslenkung in wenigstens eine zweite Richtung vorgesehen sein. Die erste Richtung kann dabei bspw. parallel zur Zeichnungsebene und die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung stehen, bspw. aus der Zeichenebene senkrecht herausragen.
Entsprechende Messaufnehmer S1 wie bspw. Rosetten-DMS (Dehnungsmesstreifen) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Entsprechend könnte zur Bestimmung einer ersten und einer zweiten Schwingungsfrequenz ein erster und ein zweiter Messaufnehmer S1, S2 vorgesehen sein. Die Messaufnehmer S1, S2 können dann zur Bestimmung einer Schwingungsfrequenz in eine erste Richtung und zur Bestimmung einer Schwingungsfrequenz in eine zweite Richtung dienen. Es ist auch möglich einen einzigen Messaufnehmer S1, wie bspw. einen Beschleunigungssensor, vorzusehen der zur Erfassung einer ersten Schwingungsfrequenz in eine erste Richtung und zur Erfassung einer zweiten Schwingungsfrequenz in eine zweite Richtung dient.
Auch hier können die entsprechenden Sensorsignale einer Recheneinheit, wie in 4 gezeigt zugeführt, werden. In 6 werden die Sensorsignale zur Überwachung und Zustandsbestimmung der Vor-Ort-Elektronik T einem Transmitters zugeführt.
Die erfassten Signale können dann mit hinterlegten Signalen oder Schwellenwerten verglichen werden. Bspw. können zu diesem Zweck ein oder mehrere Schwellenwerte in einer Speichereinheit des Transmitters bzw. des Recheneinheit 40 hinterlegt werden.
7 zeigt eine Ausführungsform, der gemäß ein Messaufnehmer S2 an dem Schutzrohr 10 angebracht ist, um eine Auslenkung des Schutzrohres 10 zu erfassen. Der Messaufnehmer S2 kann zu diesem Zweck ungefähr auf der Hälfte der Länge des Schutzrohrs 10 bzw. der Hälfte der Länge, die das Schutzrohr 10 über die Wandung in den Prozess hineinragt, angebracht sein. Der Messaufnehmer S2 ist dabei bevorzugt auf der Innenseite des Schutzrohres 10 also in dem Hohlraum, der auch zur Aufnahme des Messeinsatzes M (zur Temperaturerfassung) dient, angebracht. An dieser Stelle sind die größten Längenänderungen des Schutzrohrs 10 zu erwarten, die durch die Strömung S des Messstoffs bedingt sind.
Der Messaufnehmer S2 kann, wie bereits beschrieben, dazu dienen eine Auslenkung in eine erste Raumrichtung und/oder eine zweite Auslenkung in eine zweite Raumrichtung zu erfassen. Aus diesen Messsignalen kann dann nicht nur eine Schwingung bzw. Schwingungsfrequenz sondern auch eine entsprechende Amplitude abgeleitet werden.
Andererseits kann neben dem Messaufnehmer S2 auch ein Messaufnehmer S1 zur Bestimmung der ersten Auslenkung bzw. der zweiten Auslenkung an unterschiedlichen Stellen an der Messstelle angebracht sein. Bspw. kann ein erster Messaufnehmer S2 wie in 7 gezeigt am Schutzrohr und ein zweiter Messaufnehmer S1 auf der Wandung bspw. neben der Einbaustelle N des Schutzrohres 10 angebracht sein.
Natürlich können der erste und der zweite Messaufnehmer S1, S2 auch an anderer Stelle angebracht sein. So kann bspw. einer der Messaufnehmer an dem Halsrohr H des Anschlusskopfes A, welches Halsrohr H das Schutzrohr 10 und den Anschlusskopf A verbindet, am oder im Anschlusskopf A selbst angebracht sein.
Gem. 6 bzw. 7 kann der Messaufnehmer S1 auch dazu dienen, eine Abstandsänderung des Einbaustutzens N bzw. des Schutzrohrs 10, gegenüber dem Ort an dem sich der Messaufnehmer S1 befindet, zu bestimmen. Dazu kann wie in 3 bzw. 4 gezeigt ein optischer Messaufnehmer verwendet werden.
In 8 ist einer der Messaufnehmer S1 an der Außenseite des Schutzrohres 10 außerhalb des Prozesses, d.h. des Behälters B, angebracht.
Zur Verbindung des Messaufnehmer S1, falls dieser außerhalb des Schutzrohres 10 bzw. des Halsrohres H, bzw. des Gehäuses des Anschlusskopfes A angebracht sein sollte, können entsprechend Verbindungsleitungen bspw. durch eine Durchführung D an dem Gehäuse des Anschlusskopfes A vorgesehen sein.
Der Betriebselektronik T des Transmitters stehen dann einerseits die entsprechenden Sensorsignale des ersten und/oder des zweiten Messaufnehmers S1 und/oder S2 zur Verfügung, als auch bspw. des Temperaturmessaufnehmers in dem Messeinsatz M zur Verfügung.
Dadurch kann nicht nur im Belastungsfall ein Zustand, bspw. in Form einer Diagnosemeldung, bestimmt und ausgegeben werden, indem die Auslenkung bzw. die Schwingungsfrequenzen mit vorgegebenen Schwellenwerten verglichen werden, sondern die Sensorsignale des ersten und/oder des zweiten Messaufnehmers S1, S2 können vermittels der bestimmten Temperatur korrigiert werden. Dadurch können temperaturbedingte Änderungen, insbesondere Längenänderungen, die eventuell zur einer Auslenkung des Schutzrohrs 10, Halsrohres H oder gar der Wandung B des Behälters führen, kompensiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011028220 A2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard ASME PTC 19.3 TW-2010 [0002]
Whitepaper „Thermowell Calculations“ 0084-0200-2654, http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/pm%20rosemount%20doc uments/00840-0200-2654.pdf [0003]

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung, vorzugsweise einer Temperaturmessvorrichtung, mit einem Eintauchkörper (10), wie bspw einem Schutzrohr, wobei, vorzugsweise vermittels eines ersten Messaufnehmers (S1), eine erste Auslenkung, vorzugsweise eine aus der ersten Auslenkung (A1) abgeleitete erste Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers (10) bestimmt wird, wobei, vorzugsweise vermittels eines zweiten Messaufnehmers (S2), eine zweite Auslenkung (A2), vorzugsweise eine aus der zweiten Auslenkung abgeleitete zweite Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers (10) bestimmt wird, und wobei anhand der ersten und der zweiten Auslenkung (A1, A2) ein Zustand, der die mechanische Belastung des Eintauchkörpers (10), bspw. aufgrund einer stationären und/oder dynamischen Belastung, welcher der Eintauchkörper (10) bspw. aufgrund einer Strömung (S) ausgesetzt ist, angibt, bestimmt wird und vorzugsweise ausgegeben wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die erste Auslenkung (A1) in einer zur zweiten Auslenkung (A2) unterschiedlichen räumlichen Richtung, vorzugsweise orthogonal dazu, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei, vorzugsweise vermittels eines dritten Messaufnehmers (S3), eine dritte Auslenkung, vorzugsweise eine dritte Schwingungsfrequenz, des Eintauchkörpers (10) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bestimmung der ersten, zweiten bzw. dritten Auslenkung in zueinander unterschiedlichen, vorzugsweise orthogonalen, Richtungen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Auslenkung (A1) und die zweite Auslenkung (A2), vorzugsweise auch die dritte Auslenkung an einem im eingebauten Zustand dem Messstoff abgewandten Seite des Eintauchkörpers (10), vorzugsweise des im eingebauten Zustand auf einer Seite des Eintauchkörpers (10), das dem Messstoff ausgesetzt wird, gegenüberliegenden Seite eines Prozessanschlusses des Eintauchkörpers (10), bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand der ersten Auslenkung (A1) eine erste Belastungskomponente bestimmt wird, welcher erste Belastungskomponente einen bestimmten Betrag einer Kraft auf den Eintauchkörper (10) in eine bestimmte Richtung angibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand der zweiten Auslenkung (A2) ein zweiter Belastungsvektor bestimmt wird, welcher zweite Belastungsvektor einen bestimmten Betrag einer Kraft auf den Eintauchkörper (10) in eine bestimmte Richtung angibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand der ersten und/oder der zweiten Auslenkung (A1, A2) eine longitudinale Schwingungsfrequenz und/oder transversale Schwingungsfrequenz des Eintauchkörpers (10) in Bezug auf die Belastungshauptrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand der ersten und/oder der zweiten Auslenkung ein auf den Eintauchkörper (10) wirkender Staudruck bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste und die zweite Auslenkung vermittels eines Temperturmesswertes, der vorzugsweise vermittels wenigstens eines Temperaturmessaufnehmers (M), bspw. eines Thermometers, welcher Temperaturmessaufnehmer bspw. in dem Eintauchkörper (10) oder einem Anschlusskopf (A) angeordnet ist, bestimmt wird, korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Messaufnehmer (S1, S2, S3) um einen berührungslosen, vorzugsweise optischen, Messaufnehmer handelt, der die erste, zweite bzw. dritte Auslenkung anhand einer Interferenzmessung bestimmt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Interferenzmessung anhand einer Reflexion eines optischen Signals an dem Eintauchkörper (10), vorzugsweise an dem im eingebauten Zustand dem Messstoff abgewandten Ende des Eintauchkörpers (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand der ersten und/oder der zweiten Auslenkung (A1, A2) eine Anregungsfrequenz des Eintauchkörpers (10) bestimmt wird, welche Anregungsfrequenz bspw. durch eine Wirbelablösung an dem Eintauchkörper (10) erfolgt, insbesondere in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Messstoffs durch den Behälter (B).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Auslenkung (A1, A2) anhand eines Dehnungsmessstreifens, bspw. eines Rosetten-DMS, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bspw. die erste und/oder die zweite Auslenkung (A1, A2) bzw. ein Messsignal des Dehnungsmessstreifens vermittels eines Temperaturwertes, welcher Temperaturwert, vorzugsweise vermittels eines Temperaturmessaufnehmers des Thermometers ermittelt wird, korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Zeitspanne erfasst wird, in welcher der Eintauchkörper (10) eine vorgegebene Auslenkung bzw. einen Auslenkungsbereich und/oder eine vorgegebene Schwingungsfrequenz bzw. Schwingungsfrequenzbereich durchläuft.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei diese Zeitspanne zur Bestimmung des Zustands, der die mechanische Belastung des Eintauchkörpers (10) angibt, verwendet wird.
Verwendung des Verfahrens im Betrieb einer Messvorrichtung, vorzugsweise eines Thermometers, bei bspw. in einen Behälter eingebautem Eintauchkörper (10) oder in einem Prüfstand (30).
Thermometer mit einem Eintauchkörper (10), wie einem Schutzrohr, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.
Prüfstand (30) zur Bestimmung einer mechanischen Belastung eines Eintauchkörpers (10), wobei der Prüfstand einen Eintauchkörperadapter (11) zur Aufnahme des Eintauchkörpers (10) aufweist, wobei der Prüfstand (30) ferner wenigstens einen, vorzugsweise optischen, Messaufnehmer (S1, S2, S3) aufweist, der zur, besonders bevorzugt berührungslosen, Bestimmung einer ersten und vorzugsweise einer zweiten Auslenkung (A1, A2) des Eintauchkörpers (10) dient.
Prüfstand nach dem vorherigen Anspruch, wobei Messsignale des optischen Messaufnehmers (S1, S2, S3) von dem Eintauchkörper (10) oder wenigstens eines daran angebrachten Reflexionselementes reflektiert werden.
Prüfstand nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Messsignale des optischen Messaufnehmers (S1, S2, S3) von dem Eintauchkörperadapter (11) oder daran angebrachten Reflexionselementen reflektiert werden.
Prüfstand nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Eintauchkörperadapter (1) über zumindest ein Verbindungselement (12, 16) mit einer Haltevorrichtung (13, 14) verbunden ist, wobei das wenigstens eine Verbindungselemente (12, 14) eine geringere Steifigkeit aufweist als die Haltevorrichtung (13, 14).
Prüfstand nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Prüfstand (30) vermittels der Haltevorrichtung (13, 14) an einem Behälter, durch welchen ein Messstoff strömbar ist, angebracht ist.
Prüfstand nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der wenigstens eine optische Messaufnehmer (S1, S2, S3) auf der Haltevorrichtung (13, 14) angeordnet ist.
Prüfstand nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Eintauchkörperadapter (11) über eine Membran (12), vorzugsweise messstoffdicht, mit der Haltevorrichtung (13) verbunden ist.
Prüfstand nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Prüfstand (30) dazu dient, insbesondere vermittels Auslegung des Verbindungselementes (16) und/oder des Eintauchkörperadapters (11), Einbaubedingungen, wie bspw. eine Einbaugeometrie oder die Steifigkeit, der Wandung eines Behälters (B), zu simulieren.
Verwendung eines vermittels des Prüfstands (30) nach einem der vorherigen Ansprüche ermittelten Wertes einer Schwingungsfrequenz und/oder einer Auslenkung des Eintauchkörpers (10) bzw. des Eintauchkörperadapters (11) im Messbetrieb eines Thermometers zur Bestimmung eines Zustands, der die mechanische Belastung des Eintauchkörpers (10) angibt.