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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Druckmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Membrandruckmittler zur Membranbruchdetektion.
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Technischer Hintergrund
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Druckmittlersysteme kommen in der Prozessmesstechnik hauptsächlich dann zum Einsatz, wenn einfachere Druckmessumformer nicht einsetzbar sind, da deren chemische Beständigkeit nicht ausreicht oder die Prozesstemperaturen zu hoch sind. Die chemische Beständigkeit bei Druckmittlersystemen wird durch den Einsatz hochwertig legierter Edelstähle bzw. die Beschichtung des medienberührenden Bereichs mit Gold oder Kunststoff erreicht. Die Temperaturbeständigkeit von Druckmittlersystemen wird durch eine mechanische Entkopplung des Prozesses vom Druckmesselement erreicht.
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Ein Bruch in der Membran kann einerseits dazu führen, dass der Druck des zu vermessenden Mediums nicht mehr zuverlässig erfasst werden kann, und andererseits, dass das zu vermessende Medium durch das Füllmedium des Membrandruckmittlers verunreinigt wird.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Druck in einem Behälter mit erhöhter Zuverlässigkeit zu erfassen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Membrandruckmittler zur Membranbruchdetektion, der einen Grundkörper aufweist, in welchem eine Druckkammer ausgebildet ist, die mit einem Füllmedium gefüllt ist. Diese Druckkammer ist durch eine Membran von dem zu vermessenden Medium, das sich typischerweise in einem geschlossenen Behälter befindet, isoliert. Der Membrandruckmittler weist eine erste Signalquelle auf, die eingerichtet ist, ein Messsignal in das Füllmedium abzustrahlen. Des Weiteren ist ein Empfänger vorgesehen, der eingerichtet ist, das von der Signalquelle abgestrahlte Signal zu empfangen, nachdem es eine gewisse Distanz innerhalb des Füllmediums zurückgelegt hat. Die Steuerschaltung des Membrandruckmittlers ist eingerichtet, durch eine Analyse des vom Empfänger empfangenen Signals einen Membranbruch und/oder eine Gasblasenbildung im Füllmedium zu detektieren.
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Bei dem Messsignal kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisches Signal handeln, insbesondere um ein Lichtsignal oder ein Radarsignal. Im ersteren Fall handelt es sich bei der ersten Signalquelle um eine Lichtquelle und im zweiten Fall um einen Radarchip.
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Bei dem Messsignal kann es sich auch um ein Ultraschallsignal handeln.
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Die erste Signalquelle kann als ein Punktstrahler ausgeführt sein, so dass sie das Messsignal gleichmäßig in verschiedene Richtungen aussendet, um die Druckkammer möglichst gleichmäßig „auszuleuchten“. Ist kann eine andere Signalquelle vorgesehen sein, beispielsweise ein Schlitzstrahler oder ein Laser.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Signalquelle in den Grundkörper integriert. Beispielsweise ist sie direkt hinter der Membran, also auf der Seite der Membran, die dem Füllmedium zugewandt ist, angeordnet. Die Einbringung des Signals kann auch durch einen Lichtwellenleiter von außen oder einen zurückgesetzten Bereiches vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Membrandruckmittler einen Druckkanal auf, an dessen Ende ein Druckmesselement angeordnet ist. Das gegenüberliegende Ende des Druckkanals weist in Richtung der Membran. Beispielsweise ist die erste Signalquelle an dem einen Ende des Druckkanals vor dem Druckmesselement oder an dem gegenüberliegenden Ende angeordnet.
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Der Druckkanal kann, gemäß einer Ausführungsform, bis zu 8m lang sein. Der Druckkanal kann flexibel ausgeführt sein und kann in Radien verlegt sein. Insbesondere können mehrere Quellen und Empfänger im Druckkanal integriert sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere weitere Empfänger und/oder Signalquellen vorgesehen, die eingerichtet sind, das Messsignal zu empfangen bzw. weitere Messsignale in das Füllmedium abzustrahlen.
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Bei den bzw. dem weiteren Messsignalen kann es sich insbesondere um eine andere Art von Messsignal handeln, als das, welches von der ersten Signalquelle abgestrahlt wird.
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So kann es sich beispielsweise bei der ersten Signalquelle um eine Lichtquelle handeln und bei der zweiten Signalquelle um einen Radarchip. Ebenso kann es sich bei der ersten Signalquelle um eine Ultraschallquelle handeln und bei der zweiten Signalquelle um eine Lichtquelle. Auch kann es sich bei der ersten Signalquelle um eine Ultraschallquelle handeln und bei der zweiten Signalquelle um einen Radarchip.
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Hierdurch wird eine Redundanz in der Messung geschaffen, was zur Messsicherheit beitragen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerschaltung eingerichtet, eine Störmeldung zu generieren, wenn ein Membranbruch und/oder eine Gasblasenbildung im Füllmedium detektiert wurde. Beispielsweise kann ein Schwellwert vorgesehen sein und die Störmeldung wird dann erzeugt, wenn die Änderung des vom Empfänger empfangenen Signals über dem Schwellwert liegt bzw. die Amplitude des empfangenen Signals unter oder (im Falle von Streulichtdetektion) über dem Schwellwert liegt.
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Ebenso kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, eine Freigabemeldung zu generieren, wenn die Gasblasenbildung im Füllmedium (wieder) einen vorbestimmten Schwellwert unterschritten hat bzw. wenn das im Empfänger erfasste Signal wieder einen Normalwert erreicht hat.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Empfänger in der ersten Signalquelle integriert. So kann der Radarchip oder Ultraschallsender beispielsweise ausgeführt sein, das ausgesendete Messsignal wieder zu erfassen, nachdem es an einer Wand oder an einer oder mehreren Gasblasen reflektiert bzw. gestreut wurde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Membrandruckmittler einen Datenspeicher auf, der eingerichtet ist zum Speichern der Störmeldung und/oder der Freigabemeldung. Es kann vorgesehen sein, dass dieser Datenspeicher zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Übertragungseinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist zum Übertragen der Störmeldung und/oder der Freigabemeldung an einen externen Empfänger.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Diagramm, das den Einsatzbereich eines Membrandruckmittlers im Druckbereich von Vakuum bis Atmosphärendruck charakterisiert.
- 2 zeigt einen Membrandruckmittler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt einen Membrandruckmittler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
- 4 zeigt einen Membrandruckmittler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Diagramm, das einen möglichen Einsatzbereich eines Membrandruckmittlers für beispielsweise Hochtemperaturöl VE32, KN32 als Füllmedium darstellt. Druckmittlersysteme werden zum Messen von Drücken im Bereich von wenigen Millibar Absolutdruck eingesetzt. Durch den Einsatz der Druckmittlersysteme in Anwendungen mit hohen Temperaturen von bis bis zu 400°C sinkt der Siedepunkt des Füllmediums. Der mit 1 bezeichnete Bereich charakterisiert den Einsatzbereich eines Standarddruckmittlers und der mit 2 gekennzeichnete Bereich den Einsatzbereich eines Druckmittlers mit Vakuumservice.
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Im Bereich 1 ist zu sehen, dass der Einsatzbereich des Druckmittlers mit sinkendem Druck auf Seiten der Temperatur eingeschränkt werden muss. Wird dieser Temperaturbereich überschritten, beginnt das Füllmedium mit dem Ausgasen von Gasen, welche im Füllmedium gebunden sind. Das Füllmedium beginnt zu sieden. Das Ausgasen der Gase in die Flüssigkeit führt zu einer Veränderung des Vordruckes im geschlossenen Druckmittlersystem.
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Diese Veränderung des Vordruckes führt zu einer Drift des Gesamtsystems im Nullpunkt, also in der Ruhelage des Druckmittlersystems. Diese Drift kann vom Druckmittlersystem und damit vom Anwender nicht erkannt werden und führt dazu, dass die Druckmessumformer mit Druckmittlersystemen in regelmäßigen Abständen kalibriert werden müssen. Um dies zu vermeiden bzw. längere Kalibrierzyklen zu erreichen, werden Sensoren eingesetzt, um frühzeitig einen Membranbruch und/oder eine Gasblasenbildung zu detektieren.
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Hierdurch kann eine Messwertdrift frühzeitig erkannt werden, welche durch Gasblasenbildung hervorgerufen wird.
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2 zeigt einen Membrandruckmittler 100, der in der Lage ist, einen Membranbruch und/oder eine Gasblasenbildung frühzeitig zu detektieren. Der Membrandruckmittler 100 weist einen Druckmessumformer oder Druckmesselement 107 auf, das mittels einer mechanischen Entkopplung vom zu vermessenden Medium getrennt ist. Zum Prozess hin ist eine dünne metallische Membran 103 vorgesehen.
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Diese Membran kann flach ausgebildet oder anderweitig geformt sein, zum Beispiel sinusförmig. Um den Druck vom Prozess zum Druckmesselement 107 zu übertragen, ist der Grundkörper 101 des Membrandruckmittlers mit einem Füllmedium, unter leichtem Vordruck, befüllt.
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Durch das Verwenden einer dünnen Membran zum Prozess hin kann es bei rauen Prozessbedingungen oder Fehlbedienungen zum Bruch der Membran kommen. Beim Bruch der Membran entweicht das Füllmedium und das Prozessmedium dringt in das Druckmittlersystem ein.
Beim Bruch der Membran wird die Licht- bzw. Ultraschallausbreitung aufgrund der deformierten Membran sehr stark beeinflusst oder gar unterbrochen, wodurch der Membranbruch sehr zuverlässig detektiert werden kann. Der Ausfall des Druckmittlersystems kann somit über die Sensorik erkannt werden.
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Ein Ausfall des Druckmittlersystems kann insbesondere in der Lebensmittelindustrie und in der pharmazeutischen Industrie zu Verunreinigungen des Mediums und zur Kontamination führen, da ein Reinigen des Druckmittlersystems über die typische „Cleaning in Place“-Reinigung nicht erfolgt ist.
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Durch das Einbringen einer oder mehrerer Signalquellen und von einem oder mehreren Empfängern in den Druckmittler, beispielsweise in Form von Lichtquellen und Lichtdetektoren, kann der Verlust an Füllmedium bzw. das Entstehen von Gasblasen im Druckmittlersystem zuverlässig und schnell detektiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere Ultraschallquellen und Ultraschllempfänger in den Druckmittler integriert werden, um einen Verlust an Füllmedium bzw. das Entstehen von Gasblasen zu detektieren.
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Wird der Verlust an Füllmedium von der Steuerschaltung 106 erkannt, kann die Steuerschaltung eine Störmeldung generieren und beispielsweise im Datenspeicher 111 speichern. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Störmeldung über die Übertragungseinrichtung 112 abgesetzt wird. Aufgrund dieser Störmeldung kann dann der Anwender sofort Maßnahmen einleiten, um das Druckmittlersystem zu ersetzen. Damit werden die oben beschriebenen Verunreinigungen bzw. Kontaminationen verhindert oder zumindest eingeschränkt.
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Wird das Entstehen von Gasblasen im Druckmittlersystem erkannt, kann vom Druckmessumformer 107 ebenfalls eine entsprechende Warnmeldung ausgegeben werden. Mit dieser Warnmeldung kann der Anwender Maßnahmen einleiten, das Druckmittlersystem zu ersetzen bzw. die Prozessbedingungen an die technischen Daten des Füllmediums anzupassen.
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Der Verlust an Füllmedium sowie das Entstehen von Gasblasen kann die Ausbreitung der elektromagnetischen Signale und insbesondere die Lichtbrechung bzw. die Ultraschallausbreitung beeinflussen und diese Beeinflussung kann durch den Empfänger detektiert werden, so dass das Druckmittlersystem eine Selbstüberwachung durchführen kann.
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In der Ausführungsform der 2 ist eine Signalquelle 104 in das Membranbett eingebracht. Auf der gegenüberliegenden Seite des Membranbetts befindet sich ein entsprechender Empfänger 105. Bei Bruch der Membran 103 entweicht Füllmedium 102. Die Lichtbrechung bzw. die Schallausbreitung ändert sich und der Bruch der Membran kann somit erkannt werden. Entsteht im Fülmmedium eine Gasblase, ändert sich ebenfalls die Lichtbrechung bzw. die Schallausbreitung, so dass die Gasblase und der daraus resultierende Drift in der Druckmessung erkannt werden kann.
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In der Ausführungsform der 3 sind die Signal quelle 104 und der Empfänger 105 im Druckkanal 108 angeordnet. Der Sender 104 befindet sich beispielsweise am oberen Ende im Bereich des Druckmesselements 107 und der Empfänger 105 am unteren Ende des Kanals in der Nähe der Membran.
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In der Ausführungsform der 4 wird eine punktförmige Lichtquelle 104 verwendet, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie eine kugelförmige Ausstrahlung des Lichtes bzw. des Schalles aufweist. Sie ist hinter der Membran angeordnet und kann den Druckkanal und das Membranbett ausleuchten. Es sind mehrere Empfänger 105, 109, 113 vorgesehen, die in das Membranbett und den Druckkanal eingebracht sind.
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Das Messsignal kann direkt oder über Spiegel bzw. Licht- oder Schallwellenleiter in das Füllmedium eingestrahlt werden. Das bietet den Vorteil, dass bei hohen Temperaturen die Licht- oder Schallwellen erzeugenden Elemente (Signalquellen) nicht direkt den Prozesstemperaturen ausgesetzt sind. Der Einsatzbereich des Druckmittlersystems kann dadurch vergrößert werden.
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Das Aussenden des Messsignals kann kontinuierlich geschehen oder es kann vorgesehen sein, dass ein zyklisches Aussenden erfolgt, beispielsweise in Abhängigkeit von der verfügbaren Menge an Energie.
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Um die Lichtbrechungsunterschiede gegenüber dem Medium zu vergrößern, kann das Füllmedium mit Additiven versetzt werden, welche die Lichtbrechung beeinflussen. Somit kann ein deutlicher Unterschied in der Lichtbrechung zu öligen Prozessmedien gewährleistet werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei daraufhingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
