DE102013200685A1

DE102013200685A1 - Feldgerät zur Prozessinstrumentierung

Info

Publication number: DE102013200685A1
Application number: DE201310200685
Authority: DE
Inventors: Peter Thorsmark
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung, insbesondere ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät, sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Gehäuseinnenraums des Feldgeräts. Auf die Innenseite des Gehäuses (10, 16) ist zumindest ein resistiver Sensor (14, 25) appliziert, der ein Widerstandssignal erzeugt. Dieses wird durch eine Auswerteeinrichtung (21) auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums überwacht. Falls dieses Kriterium nicht erfüllt wird, gibt die Auswerteeinrichtung (21) ein Signal zur Anzeige eines Fehlerzustands aus. Dadurch kann in einfacher Weise der Gehäuseinnenraum mittels eines Dehnungsmessstreifens (14) auf Überschreiten eines zulässigen Druckgrenzwerts oder mittels eines Sensors (25) zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit des im Innenraum des Gehäuses (10, 16) befindlichen Mediums auf eine Leckage eines Messrohrs (2, 3), welches innerhalb des Gehäuses (10, 16) angeordnet ist, überwacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einem Messrohr, welches ein Medium enthält, dessen physikalische oder chemische Eigenschaft zu erfassen ist, und mit einem geschlossenen Gehäuse, in welchem das mindestens eine Messrohr angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Überwachung des Innenraums eines Feldgerätegehäuses gemäß dem Überbegriff des Anspruchs 5.
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration als physikalische bzw. chemische Eigenschaft eines Mediums. Häufig besitzen Messumformer dazu ein Messrohr, welches das Medium mit der zu erfassenden Eigenschaft enthält, und einen Signalaufnehmer, durch welchen in Abhängigkeit der jeweiligen physikalischen oder chemischen Eigenschaft ein elektrisches Messsignal erzeugt wird. Zum Schutz der mechanischen und elektrischen Komponenten sind diese in einem Gehäuse angeordnet, welches für einen Explosionsschutz geschlossen und von einer vorgeschriebenen Druckfestigkeit sein muss.
Die Erfindung betrifft insbesondere im Bereich der Durchflussmessung Coriolis-Massendurchflussmessgeräte. Diese wiesen ein einziges Messrohr oder eine Anzahl, z. B. ein Paar, von Messrohren auf, durch das bzw. die ein Medium, z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, strömt, dessen Massendurchfluss bestimmt werden soll. Dabei sind unterschiedliche Anordnungen und Geometrien der Messrohre bekannt. Beispielsweise gibt es Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit einem einzigen geraden Messrohr sowie Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit zwei gekrümmten, parallel zueinander verlaufenden Messrohren.
Letztere, paarweise identisch ausgeführte Messrohre werden durch eine im mittleren Bereich platzierte Erregeranordnung zur Erzielung eines Massenausgleichs so zum Schwingen angeregt, dass sie gegeneinander schwingen, d. h., dass die Schwingungen der beiden Messrohre um 180° gegeneinander phasenversetzt sind. Die Lage des Massenmittelpunkts des aus den beiden Messrohren gebildeten Systems bleibt dabei im Wesentlichen konstant und auftretende Kräfte werden weitgehend kompensiert. Vor und hinter der Erregeranordnung werden Schwingungsaufnehmer angebracht, zwischen deren Ausgangssignalen bei einer Massenströmung eine Phasendifferenz als Messsignal ausgewertet werden kann. Diese wird durch die bei einer Massenströmung herrschenden Coriolis-Kräfte und damit durch den Massendurchfluss verursacht.
Beispielsweise wird von der Siemens AG ein Messaufnehmer für ein derartiges Coriolis-Massendurchflussmessgerät unter der Bezeichnung SITRANS FCS400 vertrieben. Der Aufnehmer besitzt zwei parallel zueinander verlaufende Messrohre, die gemeinsam in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind. Der Berstdruck des Gehäuses beträgt mindestens 160 bar. Damit eine Spülung des Gehäuses vorgenommen werden kann, sind in axialem Abstand zueinander zwei Öffnungen mit Gewindeanschluss vorgesehen, die mit einem geeigneten Stopfen verschließbar sind. Soll eine Überwachung des im Innenraum des Gehäuses herrschenden Drucks durchgeführt werden, kann beispielsweise in eine der beiden Öffnungen ein Druckwächter eingesetzt werden. Insbesondere bei einer Anwendung in explosionsgefährdeten Bereichen kann jedoch der nachträgliche Einbau eines Druckwächters problematisch sein, da hierzu der Gewindeanschluss geöffnet werden muss, wobei ein möglicherweise erforderlicher Explosionsschutz nicht mehr gewährleistet wäre. Da vielfach ein Bedarf an Coriolis-Massendurchflussmessgeräten besteht, die in der Lage sind, Fehlerzustände auf zuverlässige Art und Weise selbst zu erkennen, bedeutet der Einsatz eines Druckwächters als zusätzliches Bauteil zudem in nachteiliger Weise häufig einen Mehraufwand bei der Anschaffung des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung sowie ein Verfahren zur Überwachung des Gehäuseinnenraums eines Feldgeräts zu schaffen, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln eine Diagnoseaussage über den Zustand des Gehäuseinnenraums erhalten werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Feldgerät der eingangs genannten Art bzw. das neue Verfahren die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der zur Überwachung des Gehäuseinnenraums erforderliche Zusatzaufwand aufgrund der Applikation eines geeigneten resistiven Sensors auf der Innenseite des Gehäuses im Vergleich zur herkömmlichen Anbringung des zusätzlichen Sensors in einer Öffnung der Gehäusewand vergleichsweise gering ist. Da der Sensor somit bereits in das Gehäuse integriert ist und kein externer Sensor mehr für die jeweilige Überwachungsaufgabe, z. B. eine Überwachung des Gehäuseinnendrucks, erforderlich ist, entfällt zudem der damit bisher verbundene Montageaufwand, bei welchem darauf geachtet werden musste, dass der Explosionsschutz nicht gefährdet wird. Eine mit einem besonders geringen Herstellungsaufwand verbundene Realisierung des auf die Innenseite des Gehäuses applizierten resistiven Sensors ist in Dünnschichttechnik möglich.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Dehnungsmessstreifen zur Erfassung des Druckes im Innenraum des Gehäuses auf die Innenseite appliziert. Bei bekanntem Verformungsverhalten der Gehäusewand, auf welcher der Dehnungsmessstreifen appliziert ist, kann anhand des Widerstandssignals des Dehnungsmessstreifens der im Innenraum des Gehäuses herrschende Druck berechnet werden. Zur Überwachung des Innenraums auf Einhalten zulässiger Druckgrenzen oder zur Feststellung einer Leckage des Messrohrs kann der berechnete Druck in einfacher Weise mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen und ein Signal zur Anzeige des jeweiligen Fehlerzustands ausgegeben werden, falls der Schwellwert überschritten wird. Somit wird als ein vorbestimmtes Kriterium der Wert des Widerstandssignals auf Einhalten vorbestimmter Grenzen überwacht.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird durch den auf der Innenseite des Gehäuses applizierten resistiven Sensor die elektrische Leitfähigkeit des im Innenraum befindlichen Mediums auf Einhalten vorbestimmter Grenzwerte geprüft. Tritt durch eine Leckage beispielsweise eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit aus dem Messrohr aus, so kann dies in vorteilhafter Weise durch Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit des im Innenraum des Gehäuses befindlichen Mediums detektiert und als Fehlermeldung zur Anzeige gebracht werden.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung, sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Die Figur zeigt in einer Schnittdarstellung den prinzipiellen Aufbau eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts 1 als Beispiel für ein Feldgerät, das zur Prozessinstrumentierung geeignet ist. Das Massendurchflussmessgerät 1 arbeitet nach dem Coriolis-Prinzip. Ein erstes Messrohr 2 und ein zweites Messrohr 3 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Das zweite Messrohr 3 hat die gleiche Form wie das erste Messrohr 2, liegt in der Darstellung genau hinter dem ersten Messrohr 2 und wird daher durch dieses verdeckt, sodass es nicht sichtbar ist. Der Verlauf der Messrohre 2 und 3 ist im Wesentlichen U-förmig. Ein fließfähiges Medium strömt beispielsweise entsprechend einem Pfeil 4 in das Massendurchflussmessgerät 1 und in einen Einlaufsplitter 6 und entsprechend einem Pfeil 5 aus einem Auslaufsplitter 7 wieder aus. Flansche 8 und 9 dienen zur Befestigung des Massendurchflussmessgeräts 1 in einer in der Figur nicht dargestellten Rohrleitung. Ein geschlossenes Gehäuse, in welchem die Messrohre 2, 3 angeordnet sind, besteht aus einem Versteifungsrahmen 10 und einer an diesen angeschweißten Gehäuseschale 16. Durch den Versteifungsrahmen 10 wird die Geometrie der Messrohre 2 und 3 weitgehend konstant gehalten, sodass auch Veränderungen des Rohrleitungssystems, in welchem das Massendurchflussmessgerät 1 eingebaut ist, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, allenfalls zu einer geringen Nullpunktverschiebung führen. Eine in der Figur schematisch dargestellte Erregeranordnung 11, die beispielsweise aus einer am Messrohr 2 befestigten Magnetspule und einem am Messrohr 3 angebrachten Magneten, der in die Magnetspule eintaucht, bestehen kann, dient zur Erzeugung einander entgegengesetzter Schwingungen der beiden Messrohre 2 und 3, deren Frequenz der Eigenfrequenz des im Wesentlichen U-förmigen Mittenabschnitts der Messrohre 2 und 3 entspricht. In der Figur ebenfalls schematisch dargestellte Schwingungsaufnehmer 12 und 13 dienen zur Erfassung der Coriolis-Kräfte und/oder der auf den Coriolis-Kräften beruhenden Schwingungen der Messrohre 2 und 3, die aufgrund der Masse des durchströmenden Mediums entstehen. Mithilfe eines Dehnungsmessstreifens 14 wird der Druck im Innenraum des Gehäuses 10, 16 und mithilfe eines Sensors 25 die elektrische Leitfähigkeit des im Innenraum des Gehäuses 10, 16 befindlichen Mediums erfasst. Der Dehnungsmessstreifen 14 und der Sensor 25 sind somit beide auf die Innenseite des Gehäuses 10, 16 applizierte resistive Sensoren. In dem Ausführungsbeispiel sind sie in einer Dünnschichttechnik realisiert. Das aus den Versteifungsrahmen 10 und der Gehäuseschale 16 bestehende Gehäuse ist gasdicht geschlossen und für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet. Der Versteifungsrahmen 10 des Aufnehmers 15 ist mit einem Gehäuse 20 einer Auswerteeinrichtung 21 verbunden. Leitungen 22, die zum Anschluss der Erregeranordnung 11, der Schwingungsaufnehmer 12, 13, des Dehnungsmessstreifens 14 und des Sensors 25 an die Auswerteeinrichtung 21 dienen, verlaufen druckdicht durch eine Glasdurchführung 23, die den Innenraum des Gehäuses 10, 16 von demjenigen des Gehäuses 20 trennt. Die Schwingungssignale, welche durch die Schwingungsaufnehmer 12 und 13 erzeugt werden, sowie die von dem Dehnungsmessstreifen 14 und dem Sensor 25 gelieferten Widerstandssignale werden von der Auswerteeinrichtung 21 ausgewertet. Zur Auswertung umfasst diese einen Mikroprozessor sowie Speicher für Programme, Daten und Parameter, welche in der Figur nicht näher dargestellt sind. Ergebnisse der Auswertung werden auf einer Anzeige ausgegeben und / oder über eine Leitung 26 an eine weitere Elektronikeinheit zur Signalkonditionierung oder direkt an eine übergeordnete Leitstation übertragen. Neben der Auswertung übernimmt die Auswerteeinrichtung 21 auch die Ansteuerung der Erregeranordnung 11 sowie die Eigendiagnose des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts 1 anhand der Widerstandssignale. Falls sich bei der Eigendiagnose ein Fehlerzustand ergibt, wird dieser ebenfalls über die Leitung 26 weitergemeldet.
Zur Eigendiagnose des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts 1 werden mithilfe der Auswerteeinrichtung 21 die Widerstandssignale auf Einhalten vorbestimmter Kriterien überwacht. Ein Erfüllen dieser Kriterien wird als Gutzustand, ein Nichterfüllen als Fehlerzustand bewertet. Das durch den Dehnungsmessstreifen 14 gelieferte Widerstandssignal repräsentiert den im Innenraum des Gehäuses 10, 16 herrschenden Druck. Eine Erhöhung des Drucks kann beispielsweise aufgrund einer Leckage eines der beiden Messrohre 2 und 3 oder einer Entzündung des im Innenraum des Gehäuses 10, 16 befindlichen Gasgemischs entstehen. Für die jeweiligen Fehlerursachen sind verschiedene Grenzwerte des ohmschen Widerstands des Dehnungsmessstreifens vorbestimmt. Wird eine dieser Grenzen durch das Widerstandssignal des Dehnungsmessstreifens 14 überschritten, erkennt die Auswerteeinrichtung 21 den jeweiligen Fehlerzustand und meldet diesen, sodass geeignete Wartungsmaßnahmen eingeleitet werden können.
Handelt es sich bei der Leckage um den Austritt eines elektrisch leitfähigen Mediums aus einem der Messrohre 2 oder 3, so erhöht dies die elektrische Leitfähigkeit des im Innenraum des Gehäuses 10, 16 befindlichen Mediums und wird durch den Sensor 25 detektiert. In der Zeichnung ist der Sensor 25 durch zwei parallele Leiterbahnen veranschaulicht, zwischen welchen bei Benetzung durch ein elektrisch leitfähiges Medium ein Kurzschluss entsteht. Unterschreitet also das durch den Sensor 25 gelieferte Widerstandssignal in geeigneter Weise vorbestimmte Grenzen, so wird durch die Auswerteeinrichtung 21 eine Leckage festgestellt.
Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können Versteifungsrahmen 10 und Gehäuseschale 16 als ein Teil realisiert sein, sodass die Schweißverbindung zwischen den beiden Teilen entfällt. Als weitere Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels ist es möglich, die Auswerteeinrichtung in demselben Gehäuse anzuordnen, in welchem sich bereits die Messrohre befinden. Prinzipiell können die Sensoren 14, 25 an beliebigen Stellen der Innenwand oder mehrere gleichartige Sensoren an verschiedenen Stellen zur Überwachung des Innenraums appliziert sein.

Claims

Feldgerät zur Prozessinstrumentierung, umfassend: – mindestens ein Messrohr (2, 3) welches ein Medium enthält, – ein geschlossenes Gehäuse (10, 16) in welchem das mindestens eine Messrohr (2, 3) angeordnet ist, – mindestens einen Signalaufnehmer (12, 13) zur Erzeugung mindestens eines Messsignals in Abhängigkeit einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft des Mediums und – eine Auswerteeinrichtung (21), die dazu ausgebildet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen und zur Bestimmung eines Messwerts für die physikalische oder chemische Größe auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät zusätzlich mindestens einen auf die Innenseite des Gehäuses (10, 16) applizierten resistiven Sensor (14, 25) aufweist zur Erzeugung eines Widerstandssignals und dass die Auswerteeinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, das Widerstandssignal auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums zu überwachen und ein Signal zur Anzeige eines Fehlerzustands auszugeben, falls dieses Kriterium nicht erfüllt ist.
Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine applizierte resistive Sensor (14) ein Dehnungsmessstreifen (14) ist zur Erfassung des Druckes im Innenraum des Gehäuses (10, 16).
Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine applizierte resistive Sensor (25) ein Sensor (25) zur Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit des im Innenraum des Gehäuses (10, 16) befindlichen Mediums ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät ist, wobei das mindestens eine Messrohr (2, 3) von dem Medium durchströmt wird, dass mindestens eine Erregeranordnung (11) vorhanden ist, welche im mittleren Bereich des mindestens einen Messrohrs (2, 3) angeordnet ist und dieses zu Schwingungen anregt, dass als Signalaufnehmer mindestens zwei Schwingungsaufnehmer (12, 13) vorhanden sind, welche in Längsrichtung des mindestens einen Messrohrs (2, 3) vor bzw. hinter der mindestens einen Erregeranordnung (11) angeordnet sind, und dass die Auswerteeinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Erregeranordnung (11) anzusteuern, von den mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (12, 13) Schwingungssignale zu empfangen und diese zur Bestimmung eines Messwerts für den Massendurchfluss auszuwerten.
Verfahren zur Überwachung eines Gehäuseinnenraums eines Feldgeräts zur Prozessinstrumentierung, mit mindestens einem Messrohr (2, 3), welches ein Medium enthält, mit einem geschlossenen Gehäuse (10, 16), in dessen zu überwachendem Innenraum das mindestens eine Messrohr (2, 3) angeordnet ist, mit mindestens einem Signalaufnehmer (12, 13), durch welchen mindestens ein Messsignal in Abhängigkeit einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft des Mediums erzeugt wird, und mit einer Auswerteeinrichtung (21), die das mindestens eine Messsignal empfängt und zur Bestimmung eines Messwerts für die physikalische oder chemische Eigenschaft auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens einen auf die Innenseite des Gehäuses (10, 16) applizierten resistiven Sensor (14, 25) ein Widerstandssignal erzeugt wird, welches die Auswerteeinrichtung (21) auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums überwacht, und dass die Auswerteeinrichtung (21) ein Signal zur Anzeige eines Fehlerzustands ausgibt, falls dieses Kriterium nicht erfüllt wird.