-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gasmesssystem mit einer Gasmessvorrichtung und mit einer Pumpeinrichtung. Gasmesssysteme und Gasmessvorrichtungen werden zur technischen Gasmessung eingesetzt und schützen Personen, welche sich in Arealen oder Räumen aufhalten, vor Gefahren für Gesundheit und Leben. Im Umfeld der Industrie, wie petrochemischer Industrie, Raffinerien, chemischer Industrie ist die technische Gasmessung von Bedeutung zur Überwachung explosiver oder giftiger Gase oder Dämpfe. Zum Einsatz kommen dabei sowohl mobile, wie auch stationäre Geräte. Es werden auch Kombinationen aus mobilen oder stationären Geräten eingesetzt, um Gaskonzentrationen oder Gasanalysen in Langertanks, Bohrlöchern, oder Silos vornehmen zu können. So ist aus der
DE 10 2005 045 272 B4 eine Kombination aus einem mobilen Gasmessgerät mit einer Aufladestation zur Versorgung mit elektrischer Energie sowie mit einer Pumpe bekannt. Damit ist es möglich, mobile Gasmessgeräte auch zu einer Messung von Gaskonzentrationen in einem Förderschacht oder in einem Bohrloch einzusetzen, in dem mittels der Pumpe über einen langen Schlauch die Gaskonzentration aus dem Bohrloch an die Oberfläche zu dem mobilen Gasmessgerät gefördert werden kann. Die Steuerung der Pumpe mit Förderbeginn, Fördermenge, Förderende und weiteren Betriebseigenschaften der Pumpe, erfolgt dabei durch das mobile Gasmessgerät, bzw. dessen Steuerung. Eine solche Gerätekombination ist für einen zeitweisen, mobilen Einsatz gut geeignet. Für einen dauerhaften Einsatz ergeben sich Nachteile hinsichtlich einer kontinuierlichen Energieversorgung. Zudem ist eine Einbindung in ein Datennetzwerk zur Weiterleitung von Messwerten und Alarmen relativ aufwendig, da diese gleichsam für jeden zeitweisen mobilen Einsatz erneut vorgenommen, bzw. konfiguriert werden müsste. Als Datennetzwerk wäre in einer solchen Ausgestaltung auch lediglich eine drahtlose Variante sinnvoll einsetzbar, da die erforderliche Netzwerk-Infrastruktur für die Kombination aus Gasmessgeräten und Pumpe nicht bereits in der jeweiligen Industrieanlage vorliegen muss.
-
Stationäre Gasmesseinrichtungen sind oftmals und üblicherweise in Industrieanlagen als eine Vielzahl von Sensoreinheiten zur Gasmessung über eine Mehrzahl von Räumen oder größere Areale verteilt. Die
US 6,182,497 B1 beschriebt ein Gasmesssystem, das ausgebildet ist, eine Vielzahl von Sensoren an einer zentralen Auswerteeinheit anzuschließen. Der Anschluss der Sensoren kann dabei über einen universellen, seriellen Bus (USB) erfolgen. Die zentrale Auswerteeinheit erhält von den Sensoren Messsignale und/oder Alarmsignale zur Auswertung und/oder Bereitstellung oder Ausgabe. Aus dem Stand der Technik sind weitere zur Datenübertragung zwischen Sensoren und Auswerteeinheit geeignete Schnittstellen, wie beispielsweise RS232, RS485, NMEA815, NMEA2000, analoge Spannungsschnittstellen (0...10 V), analoge Stromschnittstellen (4...20 mA), mit oder ohne eine digitale, sogenannte HART Protokoll-Implementierung, bekannt.
-
Aus der
US 7,406,854 B2 ist ein Gassensor mit einem Adapter bekannt. Der Adapter ist zu einem Anschluss einer Schlauchleitung ausgebildet. Über diese Schlauchleitung ist es möglich, Gas von einem entfernt liegenden Messort oder ein Kalibriergas an den Gassensor heranzuführen.
-
Aus der
US 7,257,986 B2 ist ein Gassensor mit einer Anordnung zur Erhöhung der Messempfindlichkeit bekannt. Durch periodische Druckschwankungen einer dem Gassensor zugeführten Probegasmenge, wird die Diffusion des Probegases in den Sensor verbessert, und somit die Empfindlichkeit des Sensors erhöht.
-
Insbesondere für bereits bestehende Anlagen oder Installationen von Gasmesssystemen ist ein Bedürfnis vorhanden, ohne, dass große Veränderungen in der Infrastruktur, Daten- und/oder Protokollstruktur in der zentralen Steuerung oder an der Betriebssteuerung der zentralen, wie auch dezentralen Auswerteeinheiten erforderlich sind, den Funktionsumfang der Gassensoren zu erweitern.
-
Die vorliegende Erfindung hat sich in Kenntnis des zuvor angeführten bekannten Standes der Technik und Analyse der Nachteile des bekannten Standes der Technik daher die Aufgabe gestellt, eine Pumpeinrichtung für ein Gasmesssystem anzugeben, welches es ermöglicht, die Funktionen des Gasmesssystems zu erweitern.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pumpeinrichtung für ein Gasmesssystem anzugeben, welche es ermöglicht, die Messempfindlichkeit von bereits in einem installierten Gasmesssystem angeordneten Gassensoren zu verbessern.
-
Diese und weitere Aufgaben werden mit einem Gasmesssystem mit einer Pumpeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Diese Aufgaben werden weiterhin mit den Merkmalen eines Verfahrens zum Betrieb einer Gasmessvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweise Bezugnahme der Figuren näher erläutert.
-
Grundlage der vorliegenden Erfindung ist, dass gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung in oder an dem Gasmesssystem mit einer Gasmessvorrichtung und in der Gasmessvorrichtung vorhandener und zu einer Gasmessung geeigneter Gassensorik, sowie Komponenten zu einem Betrieb der Gasmessvorrichtung, erfindungsgemäß eine Pumpeinrichtung vorgesehen ist.
-
Zu Beginn werden einige der im Rahmen dieser Patentanmeldung verwendeten Begrifflichkeiten näher erläutert.
-
Unter einem Steuersignal wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Steuersignal, ein Steuersignal als Teil einer Menge von Steuersignalen, wie auch eine Vielzahl oder eine Menge von Steuersignalen verstanden. Unter einem Datensignal wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Datensignal, ein Datensignal als Teil einer Menge von Datensignalen, wie auch eine Vielzahl oder eine Menge von Datensignalen verstanden. Unter einem Ausgabesignal wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Ausgabesignal, ein Ausgabesignal als Teil einer Menge von Ausgabesignalen, wie auch eine Vielzahl oder eine Menge von Ausgabesignalen verstanden.
-
Eine Datenverbindung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Verbindung von mindestens zwei Teilnehmern mittels einer drahtgebundenen, drahtlosen oder optischen Verbindung, welche zu einer Übermittlung von Steuersignalen, Datensignalen oder Ausgabesignalen geeignet ist. Dabei sind sowohl direkte physikalische Verbindungen (Kabelverbindungen, Funkverbindungen, Lichtleiterverbindungen), wie auch indirekte oder logische Verbindungen zur Übermittlung von Informationen, Steuersignalen, Datensignalen oder Ausgabesignalen mit physikalischen oder datentechnischen Wandlungen oder Umwandlungen von Signalen, Spannungen oder Ströme mit umfasst.
-
Ein erfindungsgemäßes Gasmesssystem mit einer Pumpeinrichtung weist damit als wesentliche Komponenten
- – eine Gasmessvorrichtung mit mindestens einem Gassensor zu einer Erfassung von Messwerten mindestens einer Gaskonzentration und mit einer Elektronik zu einer Durchführung des Betriebes der Gasmesseinrichtung, wie auch zu einer Erfassung und Verarbeitung der Messwerte und einer Ausgabe und Bereitstellung der Messdaten und Daten,
- – eine Pumpeinrichtung mit einer der Pumpeinrichtung zugeordneten oder einer in oder an der der Pumpeinrichtung angeordneten Pumpe,
- – ein Auswertesystem,
auf.
-
Die erfindungsgemäße Pumpeinrichtung als Bestandteil des erfindungsgemäßen Gasmesssystems weist als wesentliche Komponenten eine Steuereinheit mit einer, dieser Steuereinheit zugeordneten Einheit zur Datenspeicherung, auf. Die Steuereinheit ist üblicherweise als eine zu einer Programmierung ausgestaltete programmierbare oder speicherprogrammierbare Einheit, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors (μP), Mikrocomputers, Mikrocontrollers (μC) oder in vergleichbarer Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder eines programmierbaren Logikbaustein (ASIC, FPGA, PAL, GAL) ausgestaltet. Die Einheit zur Datenspeicherung ist ausgestaltet mit Elementen zur Datenspeicherung und Bereitstellung, welche üblicherweise in Form von flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicherbausteinen (RAM, ROM, EEPROM) oder Wechselmedien zur Datenspeicherung (SD-Card, CF-Card, USB-Stick) ausgebildet sind. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Pumpeinrichtung mindestens eine Schnittstelle zur Verbindung mit der Gasmessvorrichtung und optionale weitere Schnittstellen zur Verbindung mit weiteren Geräten oder Komponenten auf.
-
Erfindungsgemäß ermöglicht die Pumpeinrichtung erweiterte Funktionen des Gasmesssystems zusammen mit der Pumpeinrichtung.
-
Zur Umsetzung dieser erweiterten Funktionen des Gasmesssystems in Zusammenwirkung mit der Pumpeinrichtung weist die Pumpeinrichtung
- • mindestens eine Pumpe zur Förderung eines Messgases,
- • einen Gaseinlass,
- • ein gasführendes Verbindungselement oder eine Gaszuführungsleitung zur Verbindung mit der Gasmessvorrichtung
auf.
-
Weitere optionale Komponenten, welche in dem Gasmesssystem zusammen mit der Pumpeinrichtung die erweiterten Funktionen mit bewirken sind
- • ein oder mehrere Schaltmittel oder Ventile zur Ab- oder Umschaltung des Messgases,
- • der Pumpeinrichtung, der Pumpe oder den Schaltmitteln zugehörige Sensorik, wie ein oder mehrere Sensoren zur Druckmessung, Durchflussmessung oder Temperaturmessung.
-
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem Messgas ein Gas oder ein Gasgemisch zu verstehen, das derart beschaffen ist, dass der mindestens eine Gassensor der Gasmessvorrichtung auf eine Änderung einer Gaskonzentration dieses Messgases empfindlich ist und auf Änderungen in der Gaskonzentration dieses Messgases mit Änderungen des Gaskonzentrationsmesswertes reagiert.
-
Erfindungsgemäß ergibt sich damit ein Gasmesssystem mit den wesentlichen Komponenten:
- – Auswertesystem,
- – Gasmessvorrichtung,
- – Pumpeinrichtung.
-
Die Gasmessvorrichtung weist mindestens einen zu einer Ermittlung einer Gaskonzentration einer Gasmenge ausgebildeten Gassensor und Datenverbindungen zu einer Bereitstellung der ermittelten Gaskonzentration als ein Datensignal an das Auswertesystem auf. Die Pumpeinrichtung weist eine Steuereinheit auf, weiterhin sind der Pumpeinrichtung ist eine Pumpe mit einem gasführenden Verbindungselement oder einer Gaszuführungsleitung zu einer Zuführung einer Gasmenge an die Gasmessvorrichtung zugeordnet oder an der Pumpeinrichtung angeordnet. Die Pumpeinrichtung ist mittels der Steuereinheit und der Datenverbindungen ausgebildet, einen Datenaustausch hin zu der Gasmessvorrichtung zu kontrollieren. Die Pumpeinrichtung ist mittels der Steuereinheit und der Datenverbindungenausgebildet, einen Datenaustausch hin zu dem Auswertesystem zu kontrollieren. Die Pumpeinrichtung ist mittels der Steuereinheit und eines Steuersignals und der Datenverbindungen ausgebildet, die Pumpe zu steuern, um eine Dosierung oder Förderung einer vorbestimmten Menge eines oder Gasgemisches aus einer Messumgebung oder von einem räumlich entfernten Messort mittels der Pumpe zu der Gasmessvorrichtung anzufordern und/oder zu veranlassen. Die Pumpeinrichtung ist mittels der Datenverbindungen ausgebildet, das Datensignal des mindestens einen Gassensors zu erfassen. Die Pumpeinrichtung ist mittels der Steuereinheit ausgebildet ist, aus dem Datensignal des mindestens einen Gassensors einen Gaskonzentrationswert zu ermitteln und in Abhängigkeit des Gaskonzentrationswertes, sowie wenigstens eines weiteren vorgegebenen Wertes einen berichtigten Gaskonzentrationswert zu bestimmen und/oder bereitzustellen. Die Pumpeinrichtung ist mittels der Datenverbindungen zu einer Übermittlung des berichtigten Gaskonzentrationswertes an das Auswertesystem ausgebildet.
-
Die Pumpeinrichtung ist zur Kontrolle des Datenaustausches zwischen der Gasmessvorrichtung und dem Auswertesystem derart in dem Gasmesssystem angeordnet, dass die Pumpeinrichtung in den Datenaustausch zwischen der Gasmessvorrichtung (Ausgangssignal) und dem Auswertesystem (Eingangssignal) zwischengeschaltet ist. Bei dieser besonderen Art der Zwischenschaltung kann der in einer vorhandenen Installation bereits etablierte Datenaustausch zwischen der Gasmessvorrichtung und dem Auswertesystem und die darin vorgegebene oder vorhandene Art und Weise der Kommunikation (Art und Weise der Datenübertragung (seriell, parallel, Strom, Spannung, Bus, Übertragungsverfahren, Protokoll) zwischen der Gasmessvorrichtung und dem Auswertesystem beibehalten werden. Für die Dauer der Förderung des Messgases mittels der Pumpe zu der Gasmessvorrichtung, bzw. dem mindestens einen Gassensor übernimmt die Pumpeinrichtung mittels der Zwischenschaltung den Datenaustausch in der Weise, dass weder von der Gasmessvorrichtung quantitativ und/oder qualitativ bestimmte Messwerte oder Datensignale des mindestens einen Gassensors, noch von diesen Messwerten abgeleitete Gaskonzentrationswerte, Alarmmeldungen oder Statusmeldungen an das Auswertesystem direkt weitergeleitet werden. Vielmehr können Datensignale des mindestens einen Gassensors dahingehend als berichtigte Gaskonzentrationswerte an das Auswertesystem übermittelt werden, wobei dann Einflussgrößen, welche durch eine besondere Art und Weise eines Betriebes der Pumpeinrichtung die Messeigenschaften des mindestens einen Gassensors verändern oder beeinflussen über die Einbeziehung des wenigstens einen weiteren vorgegebenen Wertes in das übermittelte Datensignal mit einfließen.
-
Die zuvor genannten Komponenten, welche in oder an der erfindungsgemäßen Pumpeinrichtung als weitere Komponenten mitwirken können, werden im Folgenden hinsichtlich ihrer Funktionsweise mit, in oder an der erfindungsgemäßen Pumpeinrichtung näher erläutert.
-
Der erfindungsgemäßen Pumpeinrichtung ist die Pumpe zugeordnet, welche dazu ausgebildet ist, mittels des gasführenden Verbindungselements oder der Gaszuführungsleitung eine bestimmte Menge an Gas zu der Gasmessvorrichtung zu fördern. Ein solches gasführendes Verbindungselement kann beispielsweise als eine in der Länge fixe oder veränderbare, elastische, flexible, halb-flexible oder starre, als Gaszuführungsleitung ausgebildete, Schlauchleitung oder als Rohrleitung, vorzugsweise mit zugehörigen Anschluss- und Verbindungsstücken (Muffen, Steckverbinder) ausgestaltet sein.
-
Das von der Pumpe als Messgas zur Gasmessvorrichtung geförderte Gas oder Gasgemisch ist ein Gas oder ein Gasgemisch, welches zum Zwecke einer quantitativen und einer qualitativen, messtechnischen Untersuchung oder Analyse zu dem mindestens einen Gassensor der Gasmessvorrichtung gefördert wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpeinrichtung ausgestaltet, die Bereitstellung von Messgas direkt aus der der Messumgebung der Pumpeinrichtung zu übernehmen. In optionaler Weise ist in dieser bevorzugten Ausführungsform zu einer Beruhigung gegen Wind-Effekte und zu einer Reinigung des geförderten Gases oder Gasgemisches von Partikeln (Staub, Sand, Ruß) aus der Messumgebung ein Gasfilterelement als Teilelement des gasführenden Verbindungselementes vorgesehen.
-
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpeinrichtung ausgestaltet, die Bereitstellung von Messgas von einer räumlich entfernt von der Gasmesseinrichtung angeordneten Messstelle oder einem räumlich entfernt liegenden Messort zu der Gasmessvorrichtung zu übernehmen. Räumlich entfernt von der Gasmesseinrichtung angeordnete Messorte oder Messstellen können beispielsweise in einem nebenliegenden Raum oder einer benachbarten Lagerhalle, in einem unterirdischen Behältnis, einem Tankbehälter, einem Schacht, einem Tunnel oder einem Bergbaustollen angeordnet sein.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpeinrichtung mit der Pumpe als ein integraler Bestandteil in oder an der Pumpeinrichtung ausgebildet, so dass sich die Pumpeinrichtung als eine Einheit darstellt, in deren Inneren sowohl die Pumpe, als auch für die Steuerung der Pumpe erforderliche Elektronik- oder Steuerungskomponenten befinden. Eine solche Ausgestaltung nach dieser bevorzugten Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Pumpeinrichtung in kompakter Bauweise, ohne eine Notwendigkeit zusätzlicher, elektrischer Verbindungen zwischen Pumpe und Elektronik- oder Steuerungskomponenten, ausgestaltet werden kann.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpe als eine von der Pumpeinrichtung separat angeordnete Einheit, welche in oder an der Gasmesseinrichtung oder dem mindestens einen Gassensor angeordnet ist, ausgebildet. Mittels einer Daten- oder Steuerverbindung und Steuersignalen wird die Pumpe von den für die Steuerung der Pumpe zuständigen Elektronik- oder Steuerungskomponenten von der Pumpeinrichtung angesteuert. Eine solche Ausgestaltung nach dieser weiteren bevorzugten Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Pumpe hinsichtlich der elektrischen Leistungsaufnahme, Fördermenge oder hinsichtlich der Einsatz- und Umgebungsbedingungen, wie auch hinsichtlich von besonderen Anforderungen, wie Zulassungsvoraussetzungen (z. B. Explosionsschutz) an den jeweiligen Einsatzfall ausgewählt und dabei vorteilhaft jeweils mit den Elektronik- oder Steuerungskomponenten in standardisierter Weise verbunden werden kann.
-
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist in der Pumpeinrichtung mindestens ein Sensor zur Erfassung und/oder Bestimmung mindestens einer Messgröße oder mindestens eines Zustandes des von der Pumpe geförderten Gases oder Gasgemisches vorhanden. Der mindestens eine Sensor ist dabei beispielsweise als ein Drucksensor zur Erfassung eines Absolutdrucks oder eines Relativdrucks des geförderten Gases oder Gasgemisches ausgebildet. Der mindestens eine Sensor ist dabei beispielsweise als ein Durchflusssensor zur Erfassung einer Durchflussmenge (Flow) des geförderten Gases oder Gasgemisches ausgebildet. Der mindestens eine Sensor ist dabei beispielsweise als ein Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur des geförderten Gases oder Gasgemisches ausgebildet.
-
Eine solche Ausgestaltung nach dieser weiter bevorzugten Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Pumpeinrichtung mit allen Komponenten zu Betrieb, Überwachung, Steuern und/oder Regeln der Pumpe in kompakter Bauweise, ohne eine Notwendigkeit zusätzlicher elektrischer Verbindungen zwischen Pumpe, Sensorik, Elektronik- oder Steuerungskomponenten, ausgestaltet werden kann. Zudem gewährleistet die Integration von Druck und/oder Durchflusssensoren direkt in die Pumpeinrichtung eine hohe Betriebssicherheit der Pumpeinrichtung. Aus den von dem mindestens einen Sensor erfassten Messgrößen lassen sich weitere Messgrößen ableiten und/oder bestimmen, beispielsweise lässt sich eine Dichte des geförderten Gases oder Gasgemisches aus Druck und Temperatur, wie auch eine Strömungsgeschwindigkeit aus Durchflussmenge, Temperatur und Druck, ableiten.
-
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist in dem von der Pumpeinrichtung zur Gasmesseinrichtung gasführenden Verbindungselement mindestens ein Schaltmittel, beispielsweise ausgebildet als ein Schaltventil, angeordnet. Die Pumpeinrichtung ist in dieser weiter bevorzugten Ausführungsform dazu ausgebildet und vorgesehen, den Zustand des Schaltmittels zu kontrollieren. Dadurch ist die Pumpeinrichtung, vorzugsweise auch im Zusammenwirken mit dem mindestens einen Sensor in der Lage, genau definierte Mengen an Gas oder Gasgemisch aus der Messumgebung oder dem räumlich entfernten Messort an den mindestens einen Gassensor in der Gasmessvorrichtung zuzuführen.
-
Der mindestens eine Sensor, beispielsweise der Drucksensor oder der Durchflusssensor, wirken mit der Steuereinheit bei der Kontrolle der Pumpe mit. Die Kontrolle der Pumpe kann beispielsweise als eine Kontrolle einer Drehzahl, eines Förderdrucks, einer Fördermenge oder einer Durchflussmenge, wie auch eine Kontrolle von Kombinationen aus Drehzahl, Förderdruck oder Durchflussmenge ausgestaltet sein. Als Kontrolle kann dabei sowohl ein Stellen von Betriebsparametern der Pumpe, wie etwa einer Drehzahl mittels einer elektrischen Ansteuerung, beispielsweise durch Spannungs- oder Strom-Signale, ein Steuern von Betriebsparametern der Pumpe, wie etwa Drehzahl oder Druck gemäß einer Druck/Drehzahl-Kennlinie, wie auch ein Regeln von Betriebsparametern der Pumpe, wie etwa Drehzahl gemäß einer Druck/Drehzahl-Kennlinie, insbesondere mit Hilfe einer Einbeziehung von Drucksensor und/oder Durchflusssensor in einen geschlossenen Regelkreis.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit mittels der zuvor beschriebenen Kontrollmöglichkeiten (Stellen, Steuern, Regeln) eine Variation der Durchflussmenge oder Fördermenge der Pumpe anfordern oder vornehmen. Wird eine solche Variation der Fördermenge zyklisch durchgeführt, so ergibt sich eine zyklische Schwankung in Form einer Amplitudenmodulation der zu dem mindestens einen Gassensor geförderten Menge an Messgas. Eine solche Amplitudenmodulation der Gasmenge wird auch als Flow-Modulation bezeichnet. Diese Flow-Modulation ist eine vorteilhafte Möglichkeit, bei Gassensoren, bei denen der Zutritt von Gas aus der Messumgebung mittels Diffusion, beispielsweise durch eine Membran erfolgt, den Gaszutritt zu verbessern. Durch einen verbesserten Gaszutritt ergibt sich eine Verbesserung der Messung dahingehend, dass das Messgas schneller in den Gassensor hinein diffundiert und damit das Ansprechverhalten des Gassensors auf Gaskonzentrationsänderungen verbessert wird.
-
Eine derartige Flow-Modulation kann weiter bevorzugt mit einer erhöhten Modulationsrate, beispielsweise 10 Hz, umgesetzt werden. In einer solchen Ausgestaltung kann in Kombination mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter (Lock-in-Verstärker) eine Verbesserung des Messsignals bewirkt werden. So sind mit Hilfe des Lock-in-Verstärkers Verbesserungen bei der Eliminierung des Nullpunktes und des Signal-Rausch Verhältnis erreichbar. Als eine Sonderform einer Flow-Modulation ergibt sich eine Ausgestaltung, bei der die Förderung von Messgas zum Gassensor für eine bestimmte Zeit ausgesetzt und anschließend wieder fortgesetzt wird. Bei elektrischen Gassensoren kann dabei beispielsweise eine Zeitdauer abgewartet werden, bis die elektrochemischen Reaktionen (Stoffumsatz) im Gassensor mit der zuvor zugeführten Menge an Messgas weitgehend abgeschlossenen sind, um anschließend bei Wiederanlauf der Förderung das Ansprechverhalten des Gassensors zu ermitteln.
-
Eine solche Flow-Modulation oder Variation der Durchflussmenge oder Fördermenge lässt sich in einer weiter bevorzugten Ausführungsform beispielsweise mittels einer durch die Steuereinheit angeforderte zyklische Variation der von der Pumpe geförderten Durchflussmenge, beispielsweise durch eine Drehzahlvariation erreichen.
-
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform lässt sich die zyklische Variation der von der Pumpe geförderten Durchflussmenge oder Fördermenge mittels einer in Reihe zu der Pumpe angeordneten Ventilanordnung erreichen. Dabei wird ein in dieser Ventilanordnung angeordnetes Stellventil, Dosierventil oder Regelventil mittels der Steuereinheit für vorbestimmte Zeitdauern bei unveränderter Fördermenge der Pumpe, zyklisch teilweise oder vollständig geschlossen, und damit eine Variation der Durchflussmenge oder Fördermenge bewirkt.
-
Zusammenfassend ergibt sich damit als wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass das Gasmesssystem, insbesondere die Gasmessvorrichtung und der mindestens eine Gassensor mittels der Pumpeinrichtung mit erweiterten Funktionalitäten versehen werden können. Weiterhin ergibt sich mit der vorliegenden Erfindung die besonders vorteilhafte Möglichkeit, mit nachträglichen zwischengeschalteten Installationen von Pumpeinrichtungen in bereits bestehenden Installationen einer Vielzahl von am Auswertesystem angeschlossenen Gasmessvorrichtungen, die Möglichkeit der Verbesserung der Messeigenschaften in dem bereits installierten Gasmesssystem nachzurüsten. Dabei sind keinerlei Anpassungen oder Veränderungen am Auswertesystem, weder an Hardware noch an Software erforderlich. Ebenso sind keine Anpassungen oder Veränderungen an Hardware noch an Software auf Seiten der Gasmessvorrichtungen notwendig. Dadurch bedingt sind die für eine Nachrüstung erforderlichen Fehleranalysen, Testmaßnahmen und Dokumentationsmaßnahmen im Vergleich zu einer Neuzulassung bei einer Anpassung der Betriebs-Software des Auswertesystems oder der Gasmessvorrichtung nahezu vernachlässigbar.
-
Damit hält sich der Aufwand, die Möglichkeit der Verbesserung der Messeigenschaften des bereits installierten Gasmesssystems nachzurüsten, in überschaubaren Grenzen. Dies verdeutlicht, dass die vorliegende Erfindung neben den erwähnten technischen Vorteilen auch deutliche wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.
-
Vorstehend wurde die Lösung der Aufgabe in Bezug auf das, als ersten Aspekt der Erfindung, beanspruchte Gasmesssystem mit einer Pumpeinrichtung beschrieben. Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung werden die Aufgaben erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasmessvorrichtung gelöst. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen des Gasmesssystem mit einer Pumpeinrichtung sind ebenso auch auf das im Folgenden beschriebene und beanspruchte Verfahren zu übertragen, wie auch umgekehrt, erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen des Verfahrens sich auf die vorstehend beanspruchten Gegenstände übertragen lassen. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module einer Vorrichtung, insbesondere durch Hardware-Bausteine (μC, DSP, MP, FPGA, ASIC, GAL), ausgebildet, die beispielsweise in Form eines Prozessors, mehrere Prozessoren (μC, μP, DSP) oder in Form von Instruktionen in einem Speicherbereich implementiert sein können, die durch den Prozessor verarbeitet werden.
-
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Gasmesssystems mit einem Auswertesystem, einer Gasmessvorrichtung mit mindestens einem Gassensor zur Erfassung mindestens einer Gaskonzentration und mit einer Pumpeinrichtung, weist die Pumpeinrichtung wenigstens eine Steuereinheit auf. Die Erfassung der Gaskonzentration kann dabei beispielsweise aus einer unmittelbar an die Gasmessvorrichtung angrenzenden Messumgebung oder von einem räumlich entfernt der Gasmessvorrichtung liegenden und mittels eines gasführenden Verbindungselementes, oder einer Gaszuführungsleitung mit der Gasmessvorrichtung verbundenen Messort, erfolgen. Ferner ist der Pumpeinrichtung eine Pumpe zu einer Dosierung oder Förderung einer Menge eines Gases oder eines Gasgemisches zugeordnet oder ist eine zu einer Dosierung oder Förderung einer Menge eines Gases oder eines Gasgemisches geeignete Pumpe in oder an Pumpeinrichtung angeordnet. Weiterhin ist die Gasmessvorrichtung über die Steuereinheit mit dem Auswertesystem für einen Datenaustausch von der Gasmessvorrichtung an das Auswertesystem miteinander verbunden.
-
In dem Verfahren zum Betrieb eines Gasmesssystems verbindet die Steuereinheit in einem ersten Zustand die Gasmessvorrichtung mit dem Auswertesystem für einen Datenaustausch direkt miteinander. Der erste Zustand stellt dabei gleichsam einen normalen und üblichen Mess-Zustand dar, in welchem die Pumpeinrichtung den Datenaustausch zwischen der Gasmessvorrichtung und dem Auswertesystem lediglich durchleitet, ohne in den Datenaustausch überhaupt oder wesentlich verändernd, einzugreifen. In einem zweiten Zustand unterbindet die Steuereinheit den Datenaustausch von der Gasmessvorrichtung an das Auswertesystem und gibt statt eines Datensignals von der Gasmessvorrichtung ein Ersatz-Datensignal an das Auswertesystem aus. Der zweite Zustand stellt dabei gleichsam einen Mess-Zustand mit verbesserter Messgenauigkeit dar, in welchem die Pumpeinrichtung den Datenaustausch zwischen der Gasmessvorrichtung und dem Auswertesystem kontrolliert. Dabei ist Pumpeinrichtung in den Datenaustausch zwischen der Gasmessvorrichtung und dem Auswertesystem gleichsam zwischengeschaltet und übernimmt mittels des Ersatz-Datensignals vollständig den Datenaustausch mit dem Auswertesystem. Ferner gibt die Steuereinheit ein Steuersignal an die Pumpeinrichtung aus, welches eine Förderung einer Menge eines Gases oder eines Gasgemisches durch die Pumpe von einem räumlich entfernt liegenden Messort, einer Messstelle oder einer Messumgebung anfordert.
-
Weiterhin erfasst die Steuereinheit das Datensignal von der Gasmessvorrichtung, bestimmt in Abhängigkeit des Datensignals einen Gaskonzentrationswert, bestimmt in Abhängigkeit des Gaskonzentrationswertes, sowie wenigstens eines weiteren vorgegebenen Wertes einen berichtigten Gaskonzentrationswert und übermittelt den berichtigten Gaskonzentrationswert als Datensignal im Datenaustausch an das Auswertesystem.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die angeforderte Förderung der Menge des Gases durch die Pumpeinrichtung als eine fortlaufende Förderung eines Messgases oder eines Messgasgemisches aus der Messumgebung oder von der Messstelle oder dem räumlich entfernt liegenden Messort ausgebildet.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Steuereinheit ausgebildet, eine Variation der von der Pumpe zu dem mindestens einen Gassensor geförderten Durchflussmenge anzufordern und/oder zu bewirken.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst der wenigstens eine vorgegebene Wert einen Korrekturfaktor für die angeforderte und/oder bewirkte Variation der von der Pumpe zu dem mindestens einen Gassensor geförderten Durchflussmenge bedingten Änderung einer Messempfindlichkeit des mindestens einen Gassensors.
-
Die vorliegende Erfindung wird mit Hilfe folgender Figuren und den zugehörigen Figurenbeschreibungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens in einer gemeinsamen Figurenbeschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen in schematischer oder vereinfachter Darstellung:
-
1a eine Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem in einer ersten Variante,
-
1b eine Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem in einer zweiten Variante,
-
1c eine Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem in einer dritten Variante,
-
2 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Betrieb des Gasmesssystems mit Gasmessvorrichtung mittels der Pumpeinrichtung.
-
Die 1a, 1b und 1c zeigen jeweils ein Gasmesssystem 1, 1', 1''. Das Gasmesssystem 1, 1', 1'' besteht jeweils aus einer Gasmessvorrichtung 3, einem Auswertesystem 7 und einer Pumpeinrichtung 9, wobei die Pumpeinrichtung 9 mit dem Auswertesystem 7 verbunden ist. Das Auswertesystem 7 ist ausgestaltet, eine Vielzahl von Daten-Ein-/Ausgangsmodulen (I/O-Module) 17 aufzunehmen. Diese Daten Ein-/Ausgangsmodule (I/O-Module) 17 sind ausgestaltet, Daten von angeschlossenen Gasmessvorrichtungen 3, sowie Daten von angeschlossenen Pumpeinrichtungen 9 aufzunehmen. Das Auswertesystem 7 befindet sind in einem Einsatz zu einer Überwachung von Gaskonzentrationen oder anderen Umweltmesswerten, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Rauch usw. in einer zentralen Überwachungsstation, beispielsweise in einer industriellen, chemischen, petrochemischen oder bergbautechnischen Einrichtung. Dabei steht die in den 1a, 1b und 1c gezeigte Gasmessvorrichtung 3 exemplarisch für eine Vielzahl von Gasmessvorrichtungen 3 an verschiedenen Orten, welche gemeinsam ein vernetztes System zur Überwachung von Umweltsituationen in der industriellen, chemischen, petrochemischen oder bergbautechnischen Einrichtung darstellen und gemeinsam indem Auswertesystem 7 zusammengefasst, koordiniert, angezeigt, ausgewertet oder zu einer weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden können.
-
Die Gasmessvorrichtung 3 weist einen Sensor 5 mit dem Gaskonzentrationen aus der näheren Umgebung der Gasmessvorrichtung 3 erfasst werden können. Die erfassten Gaskonzentrationen werden von einer Elektronikeinheit 4 gewandelt und über Datenverbindungen 21 nach außen bereitgestellt. Dazu ist die Datenverbindung 21 zwischen der Pumpeinrichtung 9 und der Gasmessvorrichtung 3 vorgesehen. Eine weitere Datenverbindung 19 ist zwischen dem Auswertesystem 7 und der Pumpeinrichtung 9 vorgesehen. An der Pumpeinrichtung 9 sind ein erster Gaseinlass für Messgas 12, ein optionaler zweiter Gaseinlass 12', sowie eine Gaszuführungsleitung 18 zur Zuführung von Gasen oder von Gasgemischen der Pumpeinrichtung 9 zur Gasmessvorrichtung 3 vorgesehen. Über die Datenverbindungen 19, 21 werden Messdaten von der Gasmessvorrichtung 3 mittels einer in der Pumpeinrichtung 9 angeordneten Datenschnittstelle 93 zum Auswertesystem 7 übermittelt. Die Datenschnittstelle 93 hat dabei Funktionen zur Adaption der Datenübermittlung, beispielsweise Signalpegel- und/oder Protokollanpassungen oder auch Signalpegel- und/oder Protokollankonvertierungen. Die Datenverbindungen 19, 21 sind typischerweise und beispielsweise als RS232, RS485, NMEA815, NMEA2000, analoge Spannungsschnittstellen (0...10 V), analoge Stromschnittstellen (4...20 mA, 0...20 mA), – mit oder ohne digitales HART-Protokoll –, ausgestaltet. Zwischen der Pumpeinrichtung 9 und der Gasmessvorrichtung 3 ist optional noch eine Energieversorgungsleitung 23 vorgesehen, welche es ermöglicht, Energie von der Pumpeinrichtung 9 an die Gasmessvorrichtung 3 bereitzustellen, die es aber auch ebenso ermöglicht, Energie von der Gasmessvorrichtung 3 an die Pumpeinrichtung 9 bereitzustellen. Alternativ kann die optionale Energieversorgungsleitung 23 auch zwischen der Pumpeinrichtung 9 und dem Auswertesystem 7 vorgesehen sein, um Versorgungsenergie von dem Auswertesystem 7 an die Pumpeinrichtung 9 bereitzustellen. Weiterhin kann die Pumpeinrichtung 9 auch mit einer eigenen Energieversorgungsverbindung zu einer zentralen Energieversorgungseinheit oder mit einer eigenen Energieversorgung ausgestaltet sein. Die Pumpeinrichtung 9 ist dabei mittels einer Steuereinheit 91 ausgestaltet, beispielsweise in einer Ausgestaltung als programmierbares oder speicherprogrammierbares Element (μP, μC, SPS, ASIC, FPGA, PAL, GAL) mit zugehörigen Speicherelementen (RAM, ROM, EEPROM, SD-Card, CF-Card, USB-Stick) die Gasmesseinrichtung 3 und den Betrieb der Gasmesseinrichtung 3 über die Datenverbindung 21 in spezieller Weise zu steuern oder zu beeinflussen.
-
In den Gasmesssystemen 1, 1', 1'' nach den 1a, 1b, 1c sind als weitere Komponenten eine in die Pumpeinrichtung 9 integrierte, an die Pumpeinrichtung 9 angebundene oder der Pumpeinrichtung 9 zugeordnete Pumpe 37, ein Drucksensor 36 und, ein Durchflusssensor 35 vorgesehen. Der Drucksensor 36 und der Durchflusssensor 35 wirken mit der Steuereinheit 91 bei der Kontrolle der Pumpe 37 mit. Die Kontrolle der Pumpe 37 kann eine Kontrolle einer Drehzahl, eines Förderdrucks, einer Fördermenge oder einer Durchflussmenge sein. Als Kontrolle kann dabei sowohl ein Stellen von Betriebsparametern der Pumpe 37, wie etwa der Drehzahl mittels einer elektrischen Ansteuerung, beispielsweise durch Spannungs- oder Strom-Signale oder zeitlich codierter Signale (z. B. PWM), ein Steuern von Betriebsparametern der Pumpe 37, wie etwa Drehzahl oder Druck gemäß einer Druck/Drehzahl-Kennlinie, wie auch ein Regeln von Betriebsparametern der Pumpe 37, wie etwa Drehzahl gemäß einer Druck/Drehzahl-Kennlinie oder mit Hilfe einer Einbeziehung des Drucksensors 36 und/oder des Durchflusssensors 35 in einen Regelkreis.
-
Die Steuereinheit 91 kann mittels der zuvor beschriebenen Kontrollmöglichkeiten (Stellen, Steuern, Regeln) eine Variation der Fördermenge der Pumpe 37 vornehmen. Diese Variation ergibt, wenn sie zyklisch ausgeführt wird, eine zyklische Schwankung, welche als Flow-Modulation bezeichnet wird und dazu dient, den Zutritt von Gas aus der Messumgebung den Gaszutritt zu oder in den mindestens eine Gassensor zu verbessern. Eine solche Flow-Modulation lässt sich beispielsweise mittels einer durch die Steuereinheit 91 bewirkten zyklischen Variation, der von der Pumpe 37 geförderten Durchflussmenge, beispielsweise durch eine Drehzahlvariation, erreichen.
-
Somit sind die Gemeinsamkeiten der in den 1a, 1b, 1c beschriebenen dargestellten Gasmesssysteme 1, 1', 1'' beschrieben.
-
Es folgen die Beschreibungen der Unterschiede in den Gasmesssystemen 1, 1', 1'' nach den 1a, 1b, 1c. Gleiche Komponenten in den 1a, 1b und 1c sind in den 1a, 1b und 1c mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In der Ausgestaltung 1 nach der 1a wird an dem ersten Gaseinlass für Messgas 12 Gas aus einer Messumgebung 39 über ein optionales Gasfilterelement 27 von der Pumpe 37 an die Gaszuführungsleitung 18 zum Sensor 5 in die Gasmessvorrichtung 3 gefördert. Das optionale Gasfilterelement 27 ist dazu ausgebildet, Partikel (Staub, Sand, Ruß) aus der Messumgebung 39 von der Pumpeinrichtung 9 und der Pumpe 37 fernzuhalten.
-
In der Ausgestaltung 1' nach der 1b wird an dem zweiten Gaseinlass für Messgas 12' mittels der Pumpe 37 über eine Ansaugleitung 51 Gas aus einem Tank 50 angesaugt und von der Pumpe 37 an die Gaszuführungsleitung 18 zum Sensor 5 in die Gasmessvorrichtung 3 gefördert.
-
In der Ausgestaltung 1'' nach der 1c ist zusätzlich eine Ventilanordnung 31 vorhanden, welche eine Umschaltung zu einer wahlweisen Zuführung von Messgas vom ersten Gaseinlass für Messgas 12 oder vom zweiten Gaseinlass für Messgas 12' ermöglicht. Auf diese Weise ist eine wahlweise Förderung von Messgas beispielsweise aus einem Tank 50 oder beispielsweise aus einer Messumgebung 39 ermöglicht. Vorzugsweise kann die Steuereinheit 91 eine solche Umschaltung vornehmen, um beispielsweise zyklisch vom ersten Gasanschluss 12 oder zweiten Gasanschluss 12' mittels der Pumpe 37 Gas zu der Gasmessvorrichtung 3 und/oder dem mindestens einen Gassensor 5 zu fördern. Weiterhin ermöglicht diese Ventilanordnung 31 eine Variante Durchführung der Flow-Modulation, indem durch die Steuereinheit 37 für vorbestimmte Zeitdauern bei unveränderter Fördermenge der Pumpe 37 ein zyklisches teilweises oder vollständiges Schließen eines in dieser Ventilanordnung 31 angeordneten Stellventils bewirkt wird.
-
Die 2 zeigt einen schematischen Ablauf 200 des Verfahrens zum Betrieb eines Gasmesssystems 1, 1', 1'' (1a, 1b, 1c) mit Gasmessvorrichtung 3, Auswertesystem 7 (1a) und Pumpeinrichtung 9 (1a). Gleiche Komponenten in den 1a bis 1c und in der 2 sind in der 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den 1a bis 1c. Die Pumpeinrichtung 9 weist eine Steuereinheit 91 (1a, 1b, 1c) auf, welche eine Umsetzung des schematischen Ablaufs 200 ermöglicht. Der schematische Ablauf 200 stellt einen Ablauf mit einer erweiterten Messfunktionalität der Gasmessvorrichtung 3 dar.
-
Bei Inbetriebnahme 60 der Pumpeinrichtung 9 (1a, 1b, 1c) verbindet die Steuereinheit 91 (1a, 1b, 1c) in einem ersten Zustand 61 die Gasmessvorrichtung 3 direkt mit dem Auswertesystem 7 miteinander zu einem Datenaustausch 69 mit Hilfe von Datensignalen 19, 21.
-
In einem auf den ersten Zustand 61 folgenden zweiten Zustand 63 unterbindet die Steuereinheit 91 (1a, 1b, 1c) den direkten Datenaustausch 69 von der Gasmessvorrichtung 3 an das Auswertesystem 7 und etabliert einen kontrollierten Datenaustausch 69'. In diesem zweiten Zustand 63 wird in dem kontrollierten Datenaustausch 69' statt des Datensignals 19 auf Basis des Datensignals 21 der Gasmessvorrichtung 3 ein Ersatz-Datensignal 67 an das Auswertesystem 7 ausgegeben. In diesem zweiten Zustand 63 wird ein Steuersignal 77 erzeugt und an die Pumpeinrichtung 9 ausgegeben, welches eine Förderung eines Gases oder eines Gasgemisches 78 als ein Messgas durch die Pumpeinrichtung 9 anfordert. In diesem zweiten Zustand 63 wird das Datensignal 65, 21 von der Gasmessvorrichtung 3 fortlaufend erfasst und in Abhängigkeit des Datensignals 65 wird ein Gaskonzentrationswert 79 bestimmt. In diesem zweiten Zustand 63 wird in Abhängigkeit des Gaskonzentrationswertes 79, sowie wenigstens eines weiteren vorgegebenen Wertes 75 ein berichtigter Gaskonzentrationswert 79' ermittelt, vorzugsweise als ein Ausgabewert 80 bereitgestellt und als Datensignal 21 im Datenaustausch 65 an das Auswertesystem 7 übermittelt. Der zweite Zustand 63 wird solange beibehalten, dabei werden in einer Schleife 300 im zweiten Zustand 63 fortlaufend berichtigte Gaskonzentrationswerte 79' ermittelt und als Datensignale 19 an das Auswertesystem 7 übermittelt, bis beispielsweise die Steuereinheit 91 (1a, 1b, 1c) das Steuersignal 77 zurücknimmt oder die Pumpeinrichtung 9 (1a, 1b, 1c) außer Betrieb 89 genommen wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 1', 1''
- Gasmesssystem
- 3
- Gasmessvorrichtung
- 4
- Elektronikeinheit
- 5
- Gassensor
- 7
- Auswertesystem
- 9
- Pumpeinrichtung
- 12
- erster Gaseinlass Messgas
- 12'
- optionaler zweiter Gaseinlass für Messgas
- 17
- Daten-Ein-/Ausgangsmodule (I/O-Module)
- 18
- Gaszuführungsleitung, gasführendes Verbindungselement
- 19, 21
- Datenverbindung, Datensignal
- 23
- Energieversorgungsleitung
- 27
- Gasfilterelement
- 31
- Ventilanordnung
- 35
- Durchflusssensor
- 36
- Drucksensor
- 37
- Pumpe
- 39
- Umgebung, Messumgebung (Luft)
- 50
- Tank, entfernt liegender Messort
- 51
- Ansaugleitung
- 60
- START
- 61
- erster Zustand
- 63
- zweiter Zustand
- 65
- Datensignal
- 67
- Ersatz-Datensignal
- 69, 69'
- Datenaustausch
- 75
- Vorgegebener Wert
- 77, 77'
- Steuersignal
- 78, 78'
- angeforderte Menge an Gas oder Gasgemisch
- 79
- Gaskonzentrationswert
- 79'
- Korrigierter Gaskonzentrationswert
- 80
- Ausgabewert
- 89
- STOP
- 91
- Steuereinheit
- 93
- Datenschnittstelle
- 200
- Ablauf
- 300
- Schleife
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005045272 B4 [0001]
- US 6182497 B1 [0002]
- US 7406854 B2 [0003]
- US 7257986 B2 [0004]
