DE102020118427A1

DE102020118427A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer eines Dichtelements

Info

Publication number: DE102020118427A1
Application number: DE102020118427.1A
Authority: DE
Inventors: Herbert Schroth; Ralph Knall; Jan Schleiferböck
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer mindestens eines Dichtelements (D) eines Feldgeräts (F) der Prozess- und Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät (F) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums (M) dient, wobei das mindestens eine Dichtelement (D) zumindest teilweise prozessseitig und mediumsberührend angeordnet ist. Das Verfahren umfasst mindestens folgende Verfahrensschritte: Bestimmen eines Erwartungswerts für eine Gesamtlebensdauer des mindestens einen Dichtelements (1), Ermitteln einer aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (2), und Ermitteln der Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements anhand der bestimmten aktuellen Temperatur und des Erwartungswerts für die Gesamtlebensdauer (3). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Feldgerät der Prozess- und Automatisierungstechnik, welches dazu ausgestaltet ist, das Verfahren auszuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer mindestens eines Dichtelements eines Feldgeräts der Prozess- und Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums dient, wobei das mindestens eine Dichtelement zumindest teilweise prozessseitig und mediumsberührend angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Feldgerät der Prozess- und Automatisierungstechnik, welches dazu ausgestaltet ist, das Verfahren auszuführen.
Feldgeräte in der Prozess- und Automatisierungstechnik dienen der Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer, beispielsweise chemischen oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden im Prinzip alle Messgeräte als Feldgerät bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
Bei der von dem Feldgerät zu bestimmenden Prozessgröße kann es sich um den Füllstand, den Durchfluss, den Druck, die Temperatur, den pH-Wert, ein Redoxpotential, oder die Leitfähigkeit des jeweiligen Mediums handeln. Die der Bestimmung der Prozessgröße zugrundeliegenden unterschiedlichen, möglichen Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht weiter erläutert. Feldgeräte zur Messung des Füllstands sind insbesondere als Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte (TDR), radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, konduktive Füllstandsmessgeräte und vibronische Füllstandsmessgeräte ausgestaltet. Feldgeräte zur Messung des Durchflusses dagegen arbeiten beispielsweise nach dem Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermischen und/oder magnetisch induktiven Messprinzip. Bei Druckmessgeräten handelt es sich bevorzugt um sogenannte Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Feldgeräte sind häufig in Behälter, wie beispielsweise einem Tank oder einem Rohr, eingebracht. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird ein Dichtelement einem Feldgerät zugeordnet, wenn das Dichtelement in direktem Kontakt zu dem Feldgerät steht oder das Dichtelement bei einer Befestigung des Feldgeräts an einem Behälter eingesetzt wird. In der Regel weisen die Feldgeräte ein Dichtelement auf, welches einen Übergang zwischen dem Feldgerät und dem Behälter abdichtet, so dass das Dichtelement das Medium in dem Behälter zumindest teilweise berührt und dafür sorgt, dass das Medium nicht aus dem Behälter austritt. Weitere dem Medium zugewandte Dichtelemente können beispielsweise in Prozessadaptern der Feldgeräte vorhanden sein, welche zum Einbringen des Feldgeräts in den Behälter dienen, oder zwischen zwei Abschnitten des Feldgeräts.
Derartige zumindest teilweise mediumsberührende Dichtelemente spielen insbesondere im Bereich der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie eine wichtige Rolle für die Sicherstellung der Hygiene in den jeweiligen Prozessen in dem Behälter. Neben der Dichtfunktion der Dichtelemente ist es für hygienische Anwendungen wichtig, dass der Bereich des Dichtelements sowie ein Übergang zwischen dem Dichtelement und einem am Dichtelement anschließenden Bereich frei von Spalten, Fugen oder sonstigen Toträumen sind. In solchen Spalten, Fugen und/oder Toträumen können sich potenziell Keime sammeln und/oder Ablagerungen bzw. Biofilme bilden. Diese Keime und/oder Ablagerungen wiederum sind für sterile Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Pharmazie, Nahrungs- und Lebensmittelindustrie, inakzeptabel.
In diesem Zusammenhang haben verschiedene internationale oder nationale Kontrollbehörden Standards für die Herstellung und Ausgestaltung von für die sterile Verfahrenstechnik zugelassenem Equipment erarbeitet. Im amerikanischen Raum sind dabei die jeweiligen Standards der „American Society of Mechanical Engineers“ (ASME), insbesondere der sog. „ASME Bioprocessing Equipment“ (BPE) Standard, zu nennen. Im europäischen Raum ist besonders die „European Hygienic Design Group“ (EHEDG) relevant. Diese Standards genügen hohen hygienischen Ansprüchen und definieren v.a. Richtlinien zur Vermeidung von Kontamination und zur einfachen mechanischen Reinigung oder Sterilisation von Oberflächen, die am Prozess beteiligt sind. Die EHEDG verweist beispielsweise darauf, dass beim Einsatz von Dichtelementen ein spaltfreies Design genutzt werden muss.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Lebensdauer eines Dichtelements durch eine Erhöhung um 10 K halbiert wird und damit eine Alterung des Dichtelements entsprechend des Arrhenius-Gesetzes auftritt. Die Alterung des Dichtelements wird somit durch erhöhte Temperaturen beschleunigt. Höhere Temperaturen treten insbesondere bei Reinigungsprozessen in den Behältern auf. So werden beim sogenannten „Cleaning in Place“ (CIP) Behälter regelmäßig nach festgelegten Zeitabständen bei Temperaturen von beispielsweise 90°C gereinigt. Zusätzlich werden Behälter häufig sterilisiert (SIP, sterilisation in place), was typischerweise bei Temperaturen von 120 - 150 °C stattfindet. Derartig erhöhte Temperaturen führen zu einer chemischen Veränderung des Werkstoffes, wodurch die Elastizität des Dichtelements abnimmt. Gleichzeitig kommt es bei den erhöhten Temperaturen zu einer Ausdehnung des Dichtelements, die sich bei niedrigen Temperaturen nicht vollständig zurückbildet, so dass das Dichtelement eine bleibende Verformung erfährt, was wiederum die Dichtfunktion beeinträchtigen kann.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mediumsberührende Dichtelemente nach festgelegten Zeitintervallen oder nach einer definierten Anzahl von Reinigungszyklen auszutauschen. Um auszuschließen, dass das Dichtelement die Anforderungen an die Dichtigkeit und die Hygiene nicht mehr erfüllt, werden Dichtelemente häufig frühzeitig ausgetauscht. Die Lebensdauer der Dichtelemente wird von den Herstellern häufig nur grob abgeschätzt angegeben, ohne dass die tatsächliche Beanspruchung des Dichtelements durch bspw. Reinigungsprozesse berücksichtigt wird. Zudem wird die Lebensdauer regelmäßig deutlich kürzer angegeben, als es tatsächlich der Fall ist, um sicherzustellen, dass das Dichtelement frühzeitig ausgetauscht wird und den Prozess im Behälter aufgrund von Alterung des Dichtelements nicht nachteilig beeinflusst.
Das frühzeitige Austauschen des Dichtelements, welches deutlich vor einer tatsächlichen Alterung des Dichtelements erfolgt, verursacht jedoch häufigere Wartungen und Stillstände des Prozesses als eigentlich nötig wären. Umgekehrt kann die Alterung des Dichtelements auch unterschätzt werden, wenn z.B. sehr viele Reinigungsprozesse gefahren werden. Da in einer Anlage mit mindestens einem Behälter in der Regel mehrere oder sogar eine Vielzahl von Feldgeräten mit Dichtelementen vorhanden sind, stellt die jeweilige Wartung der einzelnen Dichtelemente einen erheblichen Aufwand dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Wartung von mediumsberührenden Dichtelementen eines Feldgeräts zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer mindestens eines Dichtelements für ein Feldgerät der Prozess- und Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums dient, wobei das mindestens eine Dichtelement zumindest teilweise prozessseitig und mediumsberührend angeordnet ist, wobei das Verfahren mindestens folgende Verfahrensschritte umfasst:

- Bestimmen eines Erwartungswerts für eine Gesamtlebensdauer des mindestens einen Dichtelements,
- Ermitteln einer aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements, und
- Ermitteln der Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements anhand der ermittelten aktuellen Temperatur und des Erwartungswerts für die Gesamtlebensdauer.

Das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht den Aufwand und die Kosten der Wartung des mindestens einen Dichtelements, indem die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements berechnet wird und somit ein Zeitpunkt für die Wartung präzise geplant werden kann. Somit werden Dichtelemente erst gegen Ablauf der Gesamtlebensdauer gegen neue Dichtelemente ausgetauscht, womit der tatsächliche Bedarf an Dichtelementen reduziert wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden keine willkürlichen Zeitpunkte oder Intervalle für den Austausch eines Dichtelements festgelegt und es werden keine Dichtelemente ausgetauscht, welche noch für eine längere Zeitdauer einsetzbar wären.
Der Erwartungswert der Gesamtlebensdauer des mindestens einen Dichtelements kann beispielsweise für eine Temperatur von 20°C im Bereich des Dichtelements angegeben werden. Je höher die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements im Vergleich zu den 20°C ist, desto schneller wird das mindestens eine Dichtelement altern. Anhand einer Abschätzung, wie schnell das Dichtelement bei einer bestimmten Temperatur altert und anhand des Erwartungswerts der Gesamtlebensdauer kann dann die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements ermittelt werden.
In einer möglichen Ausgestaltung wird die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements durch Messung einer ersten Temperatur an einem ersten Messort im Bereich des mindestens einen Dichtelements ermittelt. Vorzugsweise wird die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements in einer möglichst geringen Distanz zum Dichtelement bestimmt, um Fehler oder Abweichungen der aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements zu vermeiden oder zumindest gering zu halten.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung wird die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements anhand einer zweiten Temperatur und einer dritten Temperatur ermittelt, insbesondere extrapoliert, wobei die zweite Temperatur an einem zweiten Messort und die dritte Temperatur an einem dritten Messort bestimmt wird, wobei der zweite und der dritte Messort derart gewählt werden, dass die zweite und die dritte Temperatur einen Temperaturgradienten bilden, anhand dessen die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements ermittelbar ist, wobei die beiden Messorte der zweiten und dritten Temperatur vom Dichtelement und voneinander beabstandet sind. Insbesondere sind beide Messorte der zweiten und/oder dritten Temperatur so gewählt, dass sie sich innerhalb des Feldgeräts befinden, oder einer der beiden Messorte der zweiten und/oder dritten Temperatur wird so gewählt, dass er sich innerhalb des Feldgeräts befindet, wobei der jeweils andere der beiden Messorte der zweiten und/oder dritten Temperatur so gewählt wird, dass eine Umgebungstemperatur des Feldgeräts bestimmbar ist.
Wenn im Bereich des mindestens einen Dichtelements die aktuelle Temperatur nicht ermittelt werden kann, kann die aktuelle Temperatur anhand eines von zwei Temperaturen gebildeten Temperaturgradienten bestimmt werden. Die zweite und die dritte Temperatur werden beide innerhalb des Feldgeräts gemessen oder eine der beiden Temperaturen wird als Umgebungstemperatur bestimmt. Die Umgebungstemperatur eines Prozesses wird typischerweise überwacht und/oder geregelt, so dass die Umgebungstemperatur häufig bereits zur Verfügung steht. Wird eine Umgebungstemperatur verwendet, so muss der Benutzer diese dem Verfahren zur Verfügung stellen. Werden stattdessen beide Temperaturen innerhalb des Feldgeräts bestimmt, so entfällt eine Eingabe der Umgebungstemperatut durch den Benutzer.
In beiden Fällen ist darauf zu achten, dass der zweite und der dritte Messort der zweiten und dritten Temperatur so gewählt werden, dass anhand des daraus gebildeten Temperaturgradienten die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelement ermittelbar ist. So fällt die Temperatur des Mediums innerhalb des Feldgeräts von dem Bereich des Dichtelements zu einem dem Dichtelement gegenüberliegenden und dem Prozess abgewandten Bereich in der Regel stark ab. Die aktuelle Temperatur T_D im Bereich des mindestens einen Dichtelements kann beispielsweise anhand folgender Gleichung berechnet werden: $T_{D} = T_{2} + α \cdot (T_{2} - T_{3}),$
wobei T₂ die zweite Temperatur, T₃ die dritte Temperatur und α eine Konstante ist. Die Konstante lässt sich entweder experimentell ermitteln oder anhand von Wärmeleitungs- und Wärmeübergangskoeffizienten berechnen. Die Gleichung wurde unter der Annahme aufgestellt, dass die zweite Temperatur in größerer Nähe zum Dichtelement bestimmt wurde als die dritte Temperatur. Für andere Konfigurationen des zweiten und/oder dritten Messorts lassen sich analoge Gleichungen aufstellen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements anhand einer vierten Temperatur an einem vierten Messort in einem vorgebbaren Abstand zum mindestens einen Dichtelement ermittelt wird, derart dass ein zeitlicher Verlauf der vierten Temperatur einem zeitlichen Verlauf der aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements entspricht, wobei der Wert der aktuellen Temperatur durch eine definierte Temperatur des Prozesses gegeben ist. In der Regel sind die definierte Temperatur des Prozesses und ihr zeitlicher Verlauf bekannt, da auch die Prozesstemperatur überwacht und/oder gesteuert wird. Die vierte Temperatur gibt nicht den absoluten Wert der aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements wieder, sondern einen relativen Wert, der beispielsweise geringer ist als die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements und der den zeitlichen Verlauf der aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements wiedergibt. Für die Bestimmung der Restlebensdauer muss hierfür die definierte Temperatur des Prozesses einer Auswerteeinheit des Feldgeräts bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise wird der Erwartungswert der Gesamtlebensdauer des mindestens einen Dichtelements mittels eines Arrhenius-Gesetzes bestimmt. Dazu kann ein Dichtelement einer Vielzahl von Prozessen und Reinigungszyklen mit jeweils definierten Temperaturen ausgesetzt werden, um zu ermitteln, wann eine relevante Alterung des Dichtelements eintritt. Für definierte Temperaturintervalle wird dann die jeweilige Dauer (d_x°c) ermittelt, die das Dichtelement dem jeweiligen Temperaturintervall bis zum Eintreten der Alterung des Dichtelements ausgesetzt war. Der Erwartungswert der Gesamtlebensdauer bei 20°C (G_20°c) wird dann beispielsweise anhand folgender Gleichung ermittelt: $G_{20 ° C} = d_{20 ° C} + 2 \cdot d_{30 ° C} + 4 \cdot d_{40 ° C} + 8 \cdot d_{50 ° C} + \cdot \cdot \cdot .$
Die Dauer d_20°C gibt das Temperaturintervall von 20°C bis 30°C an, die Dauer d_30°C das Temperaturintervall von 30°C bis 40°C an usw.
Bevorzugterweise wird auch die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements mittels des Arrhenius-Gesetzes ermittelt. Dies kann beispielsweise anhand folgender Gleichung für die Restlebensdauer (R_20°C) bei 20°C des mindestens einen Dichtelements erfolgen: $R_{20 ° C} = G_{20 ° C} = t_{20 ° C} - 2 \cdot t_{30 ° C} - 4 \cdot t_{40 ° C} - 8 \cdot t_{50 ° C} - \cdot \cdot \cdot .$
Hierzu wird die jeweils aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements bestimmt und einem Temperaturintervall zugeordnet. Die Zeiten, in denen das mindestens eine Dichtelement einem jeweiligen Temperaturintervall ausgesetzt war, werden in einer jeweiligen Dauer (t_x°C) zusammengefasst. Die Dauer t_20°C gibt das Temperaturintervall von 20°C bis 30°C an, die Dauer t_30°C das Temperaturintervall von 30°C bis 40°C an usw.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Feldgerät der Prozess- und Automatisierungstechnik zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums, mit mindestens einem zumindest teilweise prozessseitig angeordneten und mediumsberührenden Dichtelement,
wobei das Feldgerät eine Temperaturmessvorrichtung aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, eine aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements zu ermitteln,
wobei das Feldgerät eine Auswerteeinheit aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, anhand der ermittelten aktuellen Temperatur eine Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements nach zumindest einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren zu ermitteln.
Mit dem erfindungsgemäßen Feldgerät kann auf einfache Weise der Zustand mindestens eines Dichtelements hinsichtlich seiner Alterung überwacht werden. Sobald das Dichtelement eine relevante Alterung aufweist, die Restlebensdauer sich also der Null annähert, wird das Dichtelement ausgetauscht. Die Wartung des Dichtelement ist dabei einfach zu planen und zu überwachen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden alle solche Dichtelement dem Feldgerät zugeordnet, welche entweder an einen Abschnitt des Feldgeräts anschließen oder bei der Befestigung des Feldgeräts an einem Behälter eingesetzt werden. Das Feldgerät kann beispielsweise ein Dichtelement zwischen einem Sensor des Feldgeräts und einer Wand eines Behälters, in welche das Feldgeräts eingebracht ist, aufweisen. Feldgeräte, welche mittels eines Prozessanschlusses in die Wand eines Behälters eingebracht sind, können alternativ oder zusätzlich ein Dichtelement im Bereich des Prozessanschlusses aufweisen. Zudem kann ein Feldgerät derart ausgestaltet sein, dass zwei Abschnitte des Feldgeräts durch ein Dichtelement abgedichtet werden und dieses Dichtelement das Medium berührt.
In einer Ausgestaltung ist als Temperaturmessvorrichtung ein erster Temperatursensor an einem ersten Messort im Bereich des mindestens einen Dichtelements vorgesehen. Auf diese Weist kann die aktuelle Temperatur des mindestens einen Dichtelement vor Ort bestimmt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung sind als Temperaturmessvorrichtung ein zweiter und ein dritter Temperatursensor an einem zweiten und dritten Messort vorgesehen, welche voneinander und vom mindestens einen Dichtelement beabstandet sind. Der zweite und der dritte Messort können sich beide innerhalb des Feldgeräts befinden. Einer der beiden Messorte kann in der Umgebung des Feldgeräts vorhanden sein.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist als Temperaturmessvorrichtung ein vierter Temperatursensor an einem vierten Messort in einem vorgebbaren Abstand zum mindestens einen Dichtelement vorgesehen. Der vierte Messort ist somit vom mindestens einen Dichtelement beabstandet, so dass die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements nur indirekt bestimmt wird.
Vorteilhafterweise ist als Temperaturmessvorrichtung mindestens ein fünfter Temperatursensor und mindestens eine wärmekoppelnde Vorrichtung vorgesehen, wobei die wärmekoppelnde Vorrichtung derart innerhalb des Feldgeräts angeordnet ist, dass die wärmekoppelnde Vorrichtung die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements an den mindestens fünften Temperatursensor leitet. Ein Endbereich der wärmekoppelnden Vorrichtung befindet sich im Bereich des mindestens einen Dichtelements, während der gegenüberliegende Endbereich der wärmekoppelnden Vorrichtung in Kontakt mit dem mindestens fünften Temperatursensor steht. Die wärmekoppelnde Vorrichtung leitet die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements mit wenig Verlust an den mindestens fünften Temperatursensor.
Bevorzugterweise ist als wärmekoppelnde Vorrichtung ein Wärmerohr vorgesehen. Wärmerohre können hohe Wärmeströme übertragen und sind damit besonders geeignet, die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements an den mindestens fünften Temperatursensor zu leiten. Insbesondere Heatpipes arbeiten aufgrund des genutzten Dochtprinzips in jeder beliebigen Position im Feldgerät.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Feldgerät eine Übertragungseinheit zum Übertragen der ermittelten Restlebensdauer an ein externes Gerät aufweist, wobei die Übertragungseinheit die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements kabelgebunden und/oder kabellos an eine externe Einheit überträgt. Beispielsweise kann das externe Gerät ein Bedientool sein, an dem der Benutzer die Restlebensdauer einer Vielzahl von Dichtelementen von verschiedenen Feldgeräten überwachen kann.
Vorteilhafterweise weist das Feldgerät eine Anzeigeeinheit zur Anzeige der ermittelten Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements auf, wobei die Anzeigeeinheit als eine LED- oder eine LCD-Anzeigeeinheit ausgestaltet ist.
In einer möglichen Ausgestaltung ist die Übertragungseinheit und/oder die Anzeigeeinheit dazu ausgestaltet, ein Überschreiten mindestens einer Grenztemperatur des mindestens einen Dichtelements anzugeben, welche einer minimal oder maximal zulässigen Temperatur für das mindestens eine Dichtelement entspricht. Ein Überschreiten der minimal oder maximal zulässigen Temperatur des mindestens einen Dichtelements führt in der Regel zu einer Beschädigung des Dichtelements, weshalb das Dichtelement nach der Überschreitung mindestens einer Grenztemperatur ausgetauscht werden sollte.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert werden. Es zeigt:

1: eine Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem ersten Messort.
3a,b: jeweils eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem zweiten und einem dritten Messort.
4: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem vierten Messort.
5: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einer wärmekoppelnden Vorrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einsetzbar für alle Arten von Feldgeräten F der Prozess- und Automatisierungstechnik, die zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums M dienen. Das Feldgerät umfasst mindestens ein Dichtelement D, welches zumindest teilweise prozessseitig und mediumsberührend angeordnet ist, wobei das Dichtelement integraler Bestandteil des Feldgeräts ist oder das Feldgerät mittels des Dichtelements in einen Behälter einbringbar ist.
In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 1 erfolgt das Bestimmen eines Erwartungswerts für eine Gesamtlebensdauer des mindestens einen Dichtelements D. Dies erfolgt in der Regel vor dem Einsatz des Dichtelements D bzw. des Feldgeräts F im Prozess. Anschließend wird in einem zweiten Schritt 2 eine aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements D ermittelt. Beispielsweise kann die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements D durch Messung einer ersten Temperatur T₁ an einem ersten Messort S1 im Bereich des mindestens einen Dichtelements D ermittelt werden.
Optional kann die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements D anhand einer zweiten Temperatur T₂ und einer dritten Temperatur T₃ ermittelt, insbesondere extrapoliert, werden. Hierfür wird die zweite Temperatur T₂ an einem zweiten Messort S2 und die dritte Temperatur T₃ an einem dritten Messort S3 bestimmt wird, wobei der zweite und der dritte Messort S2, S3 derart gewählt werden, dass die zweite T₂ und die dritte Temperatur T₃ einen Temperaturgradienten T₂-T₃ bilden, anhand dessen die aktuelle Temperatur am mindestens einen Dichtelement D ermittelbar ist. Der zweite und der dritte Messort S2, S3 sind sowohl voneinander als auch vom Dichtelement D beabstandet. Beispielsweise befindet sich mindestens einer der beiden Messorte S2, S3 der zweiten und/oder dritten Temperatur T₂, T₃ innerhalb des Feldgeräts F, wobei einer der beiden Messorte S2, S3 sich außerhalb des Feldgeräts F befinden kann, um eine Umgebungstemperatur zu bestimmen.
In einer weiteren beispielhaften Alternative wird die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements D anhand einer vierten Temperatur T₄ an einem vierten Messort S4 in einem vorgebbaren Abstand zum mindestens einen Dichtelement D ermittelt, so dass ein zeitlicher Verlauf der vierten Temperatur T₄ einem zeitlichen Verlauf der aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements D entspricht. Der Wert der aktuellen Temperatur ist durch eine definierte Temperatur des Prozesses gegeben.
Im dritten Schritt 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird schließlich die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements D anhand der ermittelten aktuellen Temperatur und des Erwartungswerts für die Gesamtlebensdauer ermittelt. Der Erwartungswert für die Gesamtlebensdauer und/oder die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements D kann beispielsweise mittels eines Arrhenius-Gesetzes bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Feldgerät F der Prozess- und Automatisierungstechnik dient zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums M, und weist mindestens ein zumindest teilweise prozessseitig angeordnetes und mediumsberührendes Dichtelement D auf. Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Feldgerät F eine Temperaturmessvorrichtung O, welche dazu ausgestaltet ist, eine aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements D zu ermitteln, und eine Auswerteeinheit C, welche dazu ausgestaltet ist, anhand der ermittelten aktuellen Temperatur eine Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements D nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ermitteln.
Wie in den Figuren 2 bis 5 gezeigt, kann das erfindungsgemäße Feldgerät F optional weitere Einheiten aufweisen, wie eine Übertragungseinheit U zum kabelgebundenen und/oder kabellosen Übertragen der ermittelten Restlebensdauer an ein externes Gerät, und/oder eine Anzeigeeinheit A zur Anzeige der ermittelten Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements D, wie beispielsweise eine LED- oder eine LCD-Anzeigeeinheit. Die Übertragungseinheit U und/oder die Anzeigeeinheit A können optional dazu ausgestaltet sein, ein Überschreiten mindestens einer Grenztemperatur des mindestens einen Dichtelements D anzugeben, welche einer minimal oder maximal zulässigen Temperatur für das mindestens eine Dichtelement D entspricht.
2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts F, bei dem die Temperaturmessvorrichtung O einen ersten Temperatursensor O1 an einem ersten Messort S1 im Bereich des mindestens einen Dichtelements D umfasst. Das Dichtelement D ist in dieser beispielhaften Ausführung an einem Übergang zwischen dem Feldgerät F und dem Medium M sowie einem Prozessanschluss P eingesetzt, wobei das Feldgerät F in das Medium M hineinragt. Andere Möglichkeiten für eine Position des Dichtelements D und der Einbringung des Feldgeräts F in einen Behälter mit dem Medium M sind damit nicht ausgeschlossen.
Eine alternative Möglichkeit der Temperaturmessvorrichtung O des erfindungsgemäßen Feldgeräts F ist in 3a, b gezeigt. Beide Figuren 3a, b zeigen ein Feldgerät F, bei dem die Temperaturmessvorrichtung O einen zweiten und ein dritten Temperatursensor O2, O3 an einem zweiten und dritten Messort S2, S3 umfasst, welche voneinander und vom mindestens einen Dichtelement D beabstandet sind. In 3a befinden sich der zweite und der dritte Temperatursensor O2, O3 beide innerhalb des Feldgeräts F, während in 3b der dritte Temperatursensor O3 außerhalb des Feldgeräts F angeordnet ist, um eine Umgebungstemperatur zu bestimmen.
Eine weitere alternative Temperaturmessvorrichtung O des erfindungsgemäßen Feldgeräts F ist in 4 gezeigt, wobei die Temperaturmessvorrichtung O einen vierten Temperatursensor O4 an einem vierten Messort S4 in einem vorgebbaren Abstand zum mindestens einen Dichtelement D umfasst.
Eine letzte Alternative der Temperaturmessvorrichtung O des erfindungsgemäßen Feldgeräts F ist in 5 gezeigt. In dieser Variante umfasst die Temperaturmessvorrichtung O mindestens einen fünften Temperatursensor O5 und mindestens eine wärmekoppelnde Vorrichtung W, welche die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements D an den mindestens fünften Temperatursensor O5 leitet. Als wärmekoppelnde Einheit kann beispielsweise ein Wärmerohr eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

D: Dichtelement
F: Feldgerät
M: Medium
S1: erster Messort
S2: zweiter Messort
S3: dritter Messort
S4: vierter Messort
O: Temperaturmessvorrichtung
O1: erster Temperatursensor am ersten Messort
O2: zweiter Temperatursensor am zweiten Messort
O3: dritter Temperatursensor am dritten Messort
O4: vierter Temperatursensor am vierten Messort
O5: fünfter Temperatursensor
C: Auswerteeinheit
W: wärmekoppelnde Vorrichtung
U: Übertragungseinheit
A: Anzeigeeinheit
P: Prozessanschluss

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer mindestens eines Dichtelements (D) für ein Feldgerät (F) der Prozess- und Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät (F) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums (M) dient, wobei das mindestens eine Dichtelement (D) zumindest teilweise prozessseitig und mediumsberührend angeordnet ist, wobei das Verfahren mindestens folgende Verfahrensschritte umfasst: - Bestimmen eines Erwartungswerts für eine Gesamtlebensdauer des mindestens einen Dichtelements (1), - Ermitteln einer aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (2), und - Ermitteln der Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements anhand der ermittelten aktuellen Temperatur und des Erwartungswerts für die Gesamtlebensdauer (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) durch Messung einer ersten Temperatur (T₁) an einem ersten Messort (S1) im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) anhand einer zweiten Temperatur (T₂) und einer dritten Temperatur (T₃) ermittelt, insbesondere extrapoliert, wird, wobei die zweite Temperatur (T₂) an einem zweiten Messort (S2) und die dritte Temperatur (T₃) an einem dritten Messort (S3) bestimmt wird, wobei der zweite und der dritte Messort (S2, S3) derart gewählt werden, dass die zweite (T₂) und die dritte Temperatur (T₃) einen Temperaturgradienten (T₂-T₃) bilden, anhand dessen die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) ermittelbar ist, wobei die beiden Messorte (S2, S3) der zweiten (T₂) und dritten Temperatur (T₃) vom Dichtelement (D) und voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) anhand einer vierten Temperatur (T₄) an einem vierten Messort (S4) in einem vorgebbaren Abstand zum mindestens einen Dichtelement (D) ermittelt wird, derart dass ein zeitlicher Verlauf der vierten Temperatur (T₄) einem zeitlichen Verlauf der aktuellen Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) entspricht, wobei der Wert der aktuellen Temperatur durch eine definierte Temperatur des Prozesses gegeben ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, wobei der Erwartungswert der Gesamtlebensdauer des mindestens einen Dichtelements mittels eines Arrhenius-Gesetzes bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, wobei die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements mittels des Arrhenius-Gesetzes ermittelt wird.
Feldgerät der Prozess- und Automatisierungstechnik (F) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums (M), mit mindestens einem zumindest teilweise prozessseitig angeordneten und mediumsberührenden Dichtelement (D), wobei das Feldgerät (F) eine Temperaturmessvorrichtung (O) aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, eine aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) zu ermitteln, wobei das Feldgerät (F) eine Auswerteeinheit (C) aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, anhand der ermittelten aktuellen Temperatur eine Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements (D) nach dem Verfahren aus zumindest einem der Ansprüche 1-6 zu ermitteln.
Feldgerät nach Anspruch 7, wobei als Temperaturmessvorrichtung (O) ein erster Temperatursensor (O1) an einem ersten Messort (S1) im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) vorgesehen ist.
Feldgerät nach Anspruch 7, wobei als Temperaturmessvorrichtung (O) ein zweiter und ein dritter Temperatursensor (O2, O3) an einem zweiten und dritten Messort (S2, S3) vorgesehen sind, welche voneinander und vom mindestens einen Dichtelement (D) beabstandet sind.
Feldgerät nach Anspruch 7, wobei als Temperaturmessvorrichtung (O) ein vierter Temperatursensor (O4) an einem vierten Messort (S4) in einem vorgebbaren Abstand zum mindestens einen Dichtelement (D) vorgesehen ist.
Feldgerät nach mindestens einem der Ansprüche 7-10, wobei als Temperaturmessvorrichtung (O) mindestens ein fünfter Temperatursensor (O5) und mindestens eine wärmekoppelnde Vorrichtung (W) vorgesehen ist, wobei die wärmekoppelnde Vorrichtung (W) derart innerhalb des Feldgeräts (F) angeordnet ist, dass die wärmekoppelnde Vorrichtung (W) die aktuelle Temperatur im Bereich des mindestens einen Dichtelements (D) an den mindestens fünften Temperatursensor (O5) leitet.
Feldgerät nach Anspruch 11, wobei als wärmekoppelnde Einheit (W) ein Wärmerohr vorgesehen ist.
Feldgerät nach mindestens einem der Ansprüche 7-12, wobei das Feldgerät (F) eine Übertragungseinheit (U) zum Übertragen der ermittelten Restlebensdauer an ein externes Gerät aufweist, wobei die Übertragungseinheit (U) die Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements (D) kabelgebunden und/oder kabellos an eine externe Einheit überträgt.
Feldgerät nach mindestens einem der Ansprüche 7-13, wobei das Feldgerät (F) eine Anzeigeeinheit (A) zur Anzeige der ermittelten Restlebensdauer des mindestens einen Dichtelements (D) aufweist, wobei die Anzeigeeinheit (A) als eine LED- oder eine LCD-Anzeigeeinheit ausgestaltet ist.
Feldgerät nach mindestens einem der Ansprüche 13-14, wobei die Übertragungseinheit (U) und/oder die Anzeigeeinheit (A) dazu ausgestaltet ist, ein Überschreiten mindestens einer Grenztemperatur des mindestens einen Dichtelements (D) anzugeben, welche einer minimal oder maximal zulässigen Temperatur für das mindestens eine Dichtelement (D) entspricht.