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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bestimmung des Zustands eines Feldmessgerätes für die Prozessautomatisierung
und Prozessmesstechnik zur Erfassung wenigstens einer Prozessvariablen eines
Prozessmediums sowie ein Feldmessgerätes zur Durchführung eines
solchen Verfahrens.
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Feldmessgeräte für die Prozessautomatisierung
und Prozessmesstechnik sind an sich bekannt. Sie dienen dazu, industrielle
Fertigungs- und Bearbeitungsprozesse zu überwachen und zu kontrollieren
und werden zur Erfassang von Prozessvariablen, wie z. B. Druck,
Temperatur, Füllstand
eines Prozessmediums in einem Behälter, oder Durchfluss eingesetzt.
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Die Feldmessgeräte sind dabei häufig widrigen
Umgebungs- und gegebenenfalls Prozesseinflüssen ausgesetzt, die zu einer
Redaktion ihrer Lebensdauer oder Einschränkung der Funktionsfähigkeit
führen
können.
Zwar ist es bekannt, die dabei von einem Feldmessgerät gelieferten
Messwerte in Bezug auf mögliche
durch die widrigen Einflüsse
verursachten Fehler zu bewerten und gegebenenfalls zu korrigieren.
Ein derartiges Feldmessgerät
ist beispielsweise in der Europäischen
Patentschrift
EP-0 646
234-B1 beschrieben. Die Lebensdauer oder Funktionsfähigkeit
des Feldmessgeräts
als Ganzes bzw. seiner Teile oder Module unter dem Einfluss einzelner
oder einer Kombination der beschriebenen widrigen Einflüsse wird
jedoch bisher nicht systematisch untersucht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren bzw. ein Feldmessgerät anzugeben, bei dem durch
Erfassung von wenigstens einer relevanten Einflussgröße eine
Aussage über
die Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes
oder seine zu erwartende verbleibende Lebensdauer getroffen werden
kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Feldmessgerätes für die Prozessautomatisierung
und Prozessmesstechnik zur Erfassung wenigstens einer Prozessvariablen
eines Prozessmediums, welches Verfahren durch folgende Verfahrensschritte
gekennzeichnet ist:
- a) erfassen wenigstens
einer Einflussgröße auf die
zu erwartende Lebensdauer bzw. Funktionsfähigkeit des Feldmessgeräts, die
nicht die Prozessvariable ist;
- b) vergleichen der gemessenen Einflussgröße mit einem vorab ermittelten
maximal bzw. minimal zulässigen
Wert für
diese Einflussgröße;
- c) generieren und ausgeben eines Alarmsignals bei Überschreiten
des maximal zulässigen
Wertes oder bei Unterschreiten des minimal zulässigen Wert der Einflussgröße.
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Die oben beschriebene Aufgabe wird
auch gelöst
durch ein Feldmessgerät
für die
Prozessautomatisierung und Prozessmesstechnik und zur Erfassung
wenigstens einer Prozessvariablen eines Prozessmediums, welches
Feldmessgerät
ein Messgerätegehäuse mit
einer darin untergebrachten Elektronik umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass das Feldmessgerät
weiterhin
- – eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Einflussgröße auf die zu erwartende Lebensdauer
bzw. Funktionsfähigkeit
des Feldmessgeräts
oder eines Teiles oder Moduls davon, welche Einflussgröße nicht
die Prozessvariable ist,
- – eine
Vorrichtung zum Vergleichen der gemessenen Einflussgröße mit einem
vorab ermittelten maximal bzw. minimal zulässigen Wert für diese Einflussgröße und
- – eine
Vorrichtung zum Generieren und Ausgeben eines Alarmsignals bei Überschreiten
des maximal zulässigen
Wertes oder bei Unterschreiten des minimal zulässigen Wert der Einflussgröße umfasst.
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Der besondere Vorteil dieses Verfahrens bzw.
dieses Feldmessgeräts
liegt darin, dass Diagnose-, Alarm- und andere Signale bereitgestellt
werden, die rechtzeitig vor einem Erreichen kritischer Werte der
Einflussgrößen auf
die Lebensdauer bzw. Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes
warnen.
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Die oben beschriebene Aufgabe wird
weiterhin gelöst
durch ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Feldmessgerätes für die industrielle Prozessautomatisierung
und Prozessmesstechnik zur Erfassung wenigstens einer Prozessvariablen
eines Prozessmediums, welches Verfahren durch folgende Verfahrensschritte
gekennzeichnet ist:
- a) erfassen wenigstens
einer Einflussgröße auf die
zu erwartende Lebensdauer bzw. Funktionsfähigkeit des Feldmessgeräts, die
nicht die Prozessvariable ist;
- b) bestimmen der voraussichtlichen Lebensdauer des Feldmessgerätes bzw.
der verbleibenden Zeitdauer bis zum Erreichen eines Zeitpunkts für Wartungsarbeiten
mittels einer vorbestimmten Funktion und anhand der aktuell erfassten
Einflussgröße;
- c) erzeugen und ausgeben eines Benachrichtigungssignals, das
der voraussichtlichen Lebensdauer des Feldmessgerätes bzw.
der verbleibenden Zeitdauer bis zum Erreichen eines Zeitpunkts für Wartungsarbeiten
entspricht.
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Die oben beschriebene Aufgabe wird
außerdem
gelöst
durch ein Feldmessgerät
für die
industrielle Prozessautomatisierung und Prozessmesstechnik und zur
Erfassung wenigstens einer Prozessvariablen eines Prozessmediums,
welches Feldmessgerät
ein Messgerätegehäuse mit
einer darin untergebrachten Elektronik umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass das Feldmessgerät
weiterhin
- – eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Einflussgröße auf die zu erwartende Lebensdauer
des Feldmessgeräts
oder eines Teiles oder Moduls davon, welche Einflussgröße nicht
die Prozessvariable ist,
- – eine
Vorrichtung zum Bestimmen der voraussichtlichen Lebensdauer bzw.
der verbleibenden Zeitdauer bis zum Erreichen eines Zeitpunkts für Wartungsarbeiten
des Feldmessgerätes
oder eines Teiles oder Moduls davon mittels einer vorbestimmten
Funktion und anhand der aktuell erfassten Einflussgröße und
- – eine
Vorrichtung zum Erzeugen und Ausgeben eines Benachrichtigungssignals,
das der voraussichtlichen Lebensdauer bzw. der verbleibenden Zeitdauer
bis zum Erreichen eines Zeitpunkts für Wartungsarbeiten des Feldmessgerätes oder
eines Teiles oder Moduls davon entspricht,
umfasst.
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Der besondere Vorteil dieses Verfahrens bzw.
dieses Feldmessgeräts
nach der Erfindung liegt darin, dass im Gegensatz zu einer Fehlerdiagnose nach
Auftreten des Fehlers am Feldmessgerät, etwa durch Selbsttest des
Feldgeräts,
durch die Erfassung relevanter Großen eine vorausschauende Wartung (predictive
maintenance) möglich
ist.
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Einflussgrößen, die die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes
bzw. einzelner seiner Teile oder Module bestimmen sind beispielsweise
Temperatur, Feuchtigkeit im Gerät,
eingedrungene Gase, Vibration, und Krafteinwirkungen. Dementsprechend
beschäftigen
sich einige bevorzugte und in den abhängigen Patentansprüchen beanspruchte
Ausführungsformen
der Erfindung mit der Erfassung und Berücksichtigung dieser Einflussgrößen.
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Darüber hinaus sehen andere bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung vor, dass mehrere der Einflussgrößen, die die Lebensdauer und
Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes
beeinflussen, erfasst werden und dass deren kombinierter Einfluss berücksichtigt
wird. Bei weiteren Ausführungen
der Erfindung werden gespeicherte Werte von erfassten Einflussgrößen für die Bestimmung
der verbleibenden voraussichtlichen Lebensdauer berücksichtigt. So
werden beispielsweise die gespeicherten Werte einer Trendanalyse
unterzogen oder die Häufigkeit des
Auftretens von Extrem- oder sonstigen kritischen Werten ausgewertet,
so dass rechtzeitig vor dem Ausfall des Feldmessgerätes gewarnt
werden kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Idee ist, neben der vom Feldmessgerät erfassten Prozessvariablen
noch andere Größen zu erfassen,
die einen Einfluss auf die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des
Feldmessgerätes
haben. Dabei können
diese Einflussgrößen durch
am oder im Feldmessgerät
angeordnete Sensoren gewonnen werden. Sie können aber auch in der Umgebung
durch getrennte Sensoren oder sogar durch andere Feldmessgeräte gewonnen
werden, sofern sie dem Feldmessgerät, in dem das erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung seines Zustands ausgeführt wird, zugeleitet werden,
beispielsweise über
einen gemeinsamen Bus.
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Als Einflussgrößen der oben genannten Art können zum
Beispiel folgende Größen erfasst
werden:
- – die
Temperatur außen
am oder im Innern des Gehäuses
des Feldmessgerätes
oder die Temperatur einer Sonde des Feldmessgerätes;
- – die
Feuchtigkeit im Innern des Gehäuses
des Feldmessgerätes;
- – eine
Vibration des Feldmessgerätes;
- – eine
Krafteinwirkung auf das Feldmessgerät oder eines seiner Teile,
insbesondere bei Feldmessgeräten
mit einer mit dem Feldmessgerät verbundenen
Sonde oder Wellenleiter;
- – ein
Druck, insbesondere im Innern des Gehäuses des Feldmessgerätes;
- – eine
Konzentration von unerwünschten
Gasen im Gehäuse
des Feldmessgerätes,
insbesondere Gase aus dem Prozess oder aggressiver Gase.
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Außerdem werden die Lebensdauer
bzw. Funktionsfähigkeit
des Feldmessgeräts
von den Einschaltvorgängen,
von Spannungstransienten auf Leitungen, die mit dem Feldmessgerät verbunden
sind, oder von der Anzahl von elektrostatischen Entladungen am Feldmessgerät, seinem
Gehäuse,
oder einer mit ihm verbundenen Sonde oder Bedieneinheit bestimmt.
Auch diese Einflussgrößen werden
bei einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung bei der Ermittlung der zu erwartenden Lebens- bzw.
Funktionsdauer des Feldmessgeräts
berücksichtigt.
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Wie wichtig die Bestimmung dieser
Einflussgrößen ist,
lässt sich
an einfachen Beispielen zeigen. Es ist bekannt, dass bei einigen
Feldmessgeräten
die Genauigkeit ihres Wandlers oder Sensors zur Erfassung der Prozessvariablen
oberhalb einer bestimmten Temperatur außerhalb des spezifizierten
Bereichs liegt. Eine zusätzliche
Temperaturmessung kann somit die Funktionsfähigkeit sicherstellen. Darüber hinaus
nimmt auch die Festigkeit vieler Stoffe, die als Gehäusematerialien,
Dichtungen, Klebstoffen oder Lot bei Feldmessgeräten zum Einsatz kommen mit
zunehmender Temperatur ab. Das bedeutet, dass bei hohen Temperaturen
schon eine geringere Krafteinwirkung als bei tiefen Temperaturen
zu einem Versagen von Bauteilen führen kann. Es ist deshalb sinnvoll
und mit der Erfindung möglich,
Temperatur und z.B. Vibration an einer Elektronikplatine im Feldmessgerät zu erfassen,
um eine mögliche Rissbildung
an Lötstellen
vorauszusagen und so rechtzeitig vor dem Ausfall des gesamten Feldmessgerätes zu warnen.
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Besonders kritisch ist es, wenn aggressive Gase
aus einem Prozess in ein Messgerätegehäuse eindringen
und Kunststoffteile zersetzen bzw. Metallteile korrodieren. Aber
auch das Entweichen in die Umgebung durch ein Feldmessgerät hindurch
ist nicht erwünscht.
Unter Umständen
können
eingedrungene Gase auch zu einer Explosion des Feldmessgeräts führen. Deshalb
ist es sinnvoll, eingedrungenes Gas nachzuweisen, beispielsweise
durch einen Drucksensor. Dann kann vor Versagen des Geräts eine
entsprechende Sicherungsmaßnahme
eingeleitet werden.
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Feuchtigkeit innerhalb von Feldmessgeräten kann
aus mehrfacher Hinsicht ein Problem darstellen:
- – sie kann
zur Korrosion empfindlicher Bauteile, etwa Steckverbindern, führen; sie
kann zu Kriechströmen
oder gar Kurzschlüssen
an elektrischen Leitern führen;
- – sie
kann zu Funktionsstörungen
durch die Kapazität
von Feuchtefilmen führen
- – sie
kann zu einem Beschlagen von Sichtscheiben, etwa bei Anzeigeinstrumenten,
führen.
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Meistens führen beschädigte Dichtungen und ein unzureichender
Schutz vor Regen, Spritzwasser etc. zum Eindringen von Feuchtigkeit.
Ist mit Eindringen von Feuchtigkeit in das Feldmessgerät zu rechnen
und lassen sich elektronische Bauteile im Feldgerät nicht
durch andere geeignete Maßnahmen,
etwa Verguss, vor Feuchtigkeit schützen, muss die Feuchtigkeit
im Feldmessgerät überwacht
werden, beispielsweise mittels eines Betauungssensors, um rechtzeitig
vor einem Ausfall des Feldmessgerätes zu warnen.
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Auch Vibrationen beeinflussen die
Lebensdauer und Funktionsfähigkeit
von Feldmessgeräten, da
sie zu Bauteilbrüchen
durch Materialermüdung führen. Vibrationen
sollten daher überwacht
werden, beispielsweise durch Beschleunigungssensoren.
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Kräfte wirken insbesondere auf
mediumsberührende
Sonden von Feldmessgeräten,
wenn die Sonden, die zum Beispiel zur Füllstandsmessung eines Mediums
verwendet werden, mit diesem in Berührung stehen. Strömende Flüssigkeiten üben auf starre
Sonden Querkräfte
aus, Schüttgüter können auch
Zugkräfte
auf Sonden ausüben.
Die Erfassung solcher Kräfte
sollte dazu verwendet werden, um eine Überlastung der Sonde bzw. des
Befestigungspunktes am Behälter
durch rechtzeitiges Abschalten der Befüllung bei Schüttgütern oder
eines Rührwerks bei
Flüssigkeiten
zu verhindern.
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Die erfasste Zugkraft kann unter
Umständen aber
nicht nur für
die Feldmessgerätediagnose
von Belang sein, sondern auch aus anderen Gründen. Falls eine Silodecke
weniger belastbar sein sollte als die Sonde des auf der Silodecke
befestigten Feldmessgerätes,
kann mit einer Zugkraftmessung die Silodecke vor Einsturz geschützt werden.
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Es hat sich auch gezeigt, dass zusätzlich erfasste
Einflussgrößen selbst
zur Bestimmung von Prozessvariablen dienen können. So kann z.B. eine an
einer in ein Prozessmedium eintauchende Seilsonde eines entsprechend
ausgestatteten Feldmessgerätes
gemessene Krafteinwirkung auch als Maß für den Füllstand des Prozessmediums
herangezogen werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung am
Beispiel verschiedener bevorzugter Ausführungsformen und unter Hinweis
auf die beigefügten
Zeichnungen genauer beschrieben und erläutert. Dabei zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines Feldmessgerätes zum Messen des Füllstands
einer Flüssigkeit;
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2:
eine schematische Darstellung eines Feldmessgerätes zum Messen des Füllstands
eines Schüttgutes;
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3:
eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes einer Auswerteschaltung
in einem Feldmessgerät
nach der Erfindung;
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4:
eine schematische Darstellung eines Ablauf einer ersten bevorzugten
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5:
eine schematische Darstellung eines Ablauf einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6:
eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Feldmessgerätes
nach der Erfindung in Seitenansicht;
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7:
eine Schnittdarstellung einer Einzelheit des Feldmessgerätes nach 6 in vergrößertem (Maßstab;
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8:
eine schematische Darstellung einer Betriebsschaltung für einen
Wandler nach der Erfindung zur Erfassung einer Zugkraft;
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9:
eine Schnittdarstellung einer Einzelheit der Ausführungsform
eines Feldmessgerätes
mit aufgebrachtem Wandler nach 8;
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10:
eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes für einen
Wandler nach der Erfindung zur Erfassung einer Querkraft;
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11:
eine Schnittdarstellung einer Einzelheit der Ausführungsform
eines Feldmessgerätes
mit aufgebrachtem Wandler nach 10;
und
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12:
eine schematische Darstellung eines Betauungssensors nach der Erfindung.
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Zur Vereinfachung sind in der Zeichnung gleiche
Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die 1 und 2 dienen zur Veranschaulichung
des technischen Hintergrunds der Erfindung. 1 zeigt einen ersten Behälter 1,
der mit einem flüssigen
Prozessmedium 2 gefüllt
ist. Auf einem Deckel 3 des ersten Behälters 1 ist ein erstes
Feldmessgerät 4 angebracht,
mit dem der Füllstand
des Prozessmediums 2 bestimmt wird. Das erste Feldmessgerät 4 umfasst
dazu eine in das Prozessmedium 2 eintauchende Sonde 5,
die bei dem hier dargestellten Beispiel eine starre Sonde ist. Falls
das erste Feldmessgerät 4 ein
kapazitives Füllstandsmessgerät ist, ist
die Sonde 5 eine Elektrode. Und falls das erste Feldmessgerät 4 ein
Füllstandsmessgerät ist, das
mit geführten
Mikrowellensignalen arbeitet, ist die Sonde 5 ein Wellenleiter.
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2 zeigt
einen zweiten Behälter 6,
der bei dem hier dargestellten Beispiel mit einem Schüttgut als
Prozessmedium 7 gefüllt
ist. Auf einem Deckel 5 des zweiten Behälters 6 ist ein zweites
Feldmessgerät 9 angebracht,
mit dem der Füllstand
des Schüttgutes 7 bestimmt
wird. Das zweite Feldmessgerät 9 umfasst
dazu eine in das Schüttgut 7 eintauchende Sonde 10,
die bei dem hier dargestellten Beispiel eine Seilsonde ist. Üblicherweise
handelt es sich bei diesem zweiten Feldmessgerät 9 um ein Füllstandsmessgerät, das mit
geführten
Mikrowellensignalen arbeitet, wobei die Seilsonde 10 ein
Wellenleiter ist. Beide Feldmessgeräte 4, 9 sind,
wie in den 1 und 2 dargestellt, üblicherweise
mit einer Messwarte verbunden oder an einen mit dieser verbundenen Busleitung
angeschlossen. Entsprechende Verbindungskabel 11 veranschaulichen
dies in den 1 und 2.
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Zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit
sind bei beiden Behältern 1 und 6 der 1 und 2 kein Einlauf und kein Auslauf für die Prozessmedien 2 und 7 dargestellt.
Für den
zweiten Behälter 6 in 2 wird jedoch hier ein Auslauf
im unteren Bereich des Behälters 6 angenommen,
wie aus der Oberfläche des
Schüttguts 7 deutlich
wird.
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Wie bereits oben erwähnt, übt das jeweilige Prozessmedium 2, 7 Kräfte auf
die Sonden 5, 10 aus, die die Lebensdauer bzw.
die Funktionsfähigkeit
beeinflussen. Auf die starre Sonde 5 im ersten Behälter 1 wirken
bei bewegtem Prozessmedium, beispielsweise durch ein im Behälter 1 eingebautes,
aber hier nicht dargestelltes Rührwerk,
Querkräfte,
die in 1 durch einen
Pfeil und die Bezeichnung FT veranschaulicht
werden. Auf die Seilsonde 10 im zweiten Behälter 6 wirken
durch das Schüttgut 7 Zugkräfte, die
in 2 durch einen Pfeil
und die Bezeichnung FL veranschaulicht werden.
Die Erfassung dieser Krafteinwirkungen auf die Feldmessgeräte 4 und 9 bzw.
auf deren Sonden 5 und 10 und die Bestimmung der
Auswirkungen auf die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit von Feldmessgeräten ist
Gegenstand der Erfindung und wird nachfolgend erklärt.
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Ein in 3 dargestelltes
Blockschaltbild stellt ein Beispiel einer Auswerteschaltung zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung des Zustands eines Feldmessgerätes dar, wie sie im Feldmessgerät selbst
realisierbar ist. Das Grundprinzip dabei ist, neben einem Messwert 24 für eine Prozessvariable,
die bei den in den 1 und 2 dargestellten Feldmessgeräten 4 und 9 der
Füllstand ist,
weitere Größen 25 und 26 durch
entsprechende am bzw. im Feldmessgerät angebrachte Sensoren zu erfassen,
die einen Einfluss auf die Lebensdauer bzw. Funktionsfähigkeit
des betrachteten Feldmessgerätes
haben. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit sind
hier nur zwei Einflussgrößen 25 und 26 dargestellt.
Es können
aber noch mehr sein (siehe dazu auch 4 und 5), die für die Abschätzung der voraussichtlichen
Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des
betrachteten Feldmessgerätes
herangezogen werden.
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Vorzugsweise werden die Einflussgrößen 25 und 26 in
geeigneten Betriebsschaltungen analog aufbereitet, um sie dann digital
mit demselben A/D-Wandler 21 zu erfassen, der auch das
Messsignal A für
die Prozessvariable erfasst. Über
einen Multiplexer 22 ist das gewünschte Eingangssignal auswählbar, das
dann mithilfe eines Mikroprozessors 23 weiterverarbeitet
wird. Insbesondere ist der auch dazu geeignet, Linearisierungen
und Skalierungen der Messsignale durchzuführen, Extremwerte und Mittelwerte
abzuspeichern und bei Bedarf abrufbar zu halten. Er kann weiterhin
dazu dienen, im Zusammenwirken mit einem geeigneten Speicher im
Feldmessgerät
die Uhrzeit abzuspeichern, bei der unzulässige Zustände vorlagen, die kombinierte
Wirkung der verschiedenen Einflussgrößen zu erfassen und eine verbleibende
voraussichtliche Lebensdauer zu berechnen. Falls kritische Werte
bei den erfassten Einflussgrößen 25, 26 auftreten
kann der Mikroprozessor 23 ein Alarmsignal auslösen. Die
nachfolgend anhand der 4 und 5 beschriebenen Verfahren nach
der Erfindung können
in einem Feldmessgerät nach 3 durchgeführt werden.
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4 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsform
eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens 40 zur
Bestimmung des Zustands eines Feldmessgerätes, das nach der Erfindung
mit wenigstens einem, vorzugsweise jedoch mehreren entsprechenden
Sensoren zur Erfassung von Einflussgrößen auf die Lebensdauer und
Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes
ausgestattet ist.
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Wenigstens eine der erfassten Einflussgrößen Temperatur,
Feuchtigkeit, Vibration, Krafteinwirkung, Druck, Konzentration unerwünschter
Gase im Messgerätegehäuse des
Feldmessgerätes
wird durch einen geeigneten Sensor 41, 42, 43, 44, 45, 46 oder
Wandler erfasst und ist Eingangsgröße 47 des Verfahrens 40.
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Die Erfassung der Temperatur mittels
eines Temperatursensors 41 am oder im Messgerätegehäuse oder an einer Sonde eines
damit ausgestatteten Feldmessgerätes
ist eine wichtige Einflussgröße auf die
Lebensdauer und Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes.
Beispielsweise gibt es Wandler von Feldmessgeräten, bei denen oberhalb einer
bestimmten Temperatur die Genauigkeit außerhalb des spezifizierten
Bereichs liegt. Um zu wissen, ab wann das Feldmessgerät nicht
mehr zuverlässig
arbeitet, kann es notwendig sein die Temperatur des Prozesses, der
Umgebung und/oder am bzw. im Gerät
zu überwachen.
Außerdem
hängt die
Festigkeit vieler Stoffe, die beispielsweise als Materialen für das Messgerätegehäuse, den
Wandler zur Erfassung der Prozessvariablen, für eine Sonde und/oder andere Module
oder Komponenten des Feldmessgerätes verwendet
werden, von der Temperatur ab.
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Eine Temperaturmessung kann nach
hinlänglich
bekannten Methoden durchgeführt
werden, wobei sich insbesondere resistive Temperatursensoren 41,
wie Beispielsweise Platinwiderstände,
Halbleiterwiderstände,
etc. oder Thermoelemente anbieten. Betriebsschaltungen für solche
Sensoren sind zum Beispiel in U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik,
9. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1989, auf den Seiten 889–907 beschrieben. Die
Temperaturmessung, eventuell mit mehreren Sensoren 41,
ist dort durchzuführen,
wo temperaturempfindliche Bauteile sind: also auf einer Elektronikplatine
im Messgerätegehäuse oder
dort, wo aufgrund der üblichen
Einsatzbedingungen eine Temperaturüberhöhung am ehesten zu erwarten
ist, beispielsweise an einem Prozessflansch eines Feldmessgeräts, das
in ein heißes
Prozessmedium eintaucht.
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Auch die Feuchtigkeit ist eine wichtige
Einflussgröße für die Lebensdauer
und Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes.
So führen
häufig
beschädigte
oder ältere
Dichtungen und ein unzureichender Schutz vor Regen, Spritzwasser
etc. zum Eindringen von Feuchtigkeit in das Messgerätegehäuse. Lassen sich
die elektronischen Bauteile der dort befindlichen Elektronikleiterplatten
nicht durch andere geeignete Maßnahmen,
etwa Verguss, vor Feuchtigkeit schützen, sollte die Feuchtigkeit 42 im
Messgerätegehäuse überwacht
werden, vorzugsweise mittels Feuchte- oder Betauungssensoren 42.
Feuchtesensoren 42 besitzen den Vorteil, dass sie sich
zur kontinuierlichen Messung der relativen Feuchte eignen, auch wenn
noch keine Betauung eintritt. Ein Betauungssensor spricht erst bei
Betauung an, ist dafür
aber wesentlich preiswerter.
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Als Feuchte-Sensor 42 eignen
sich insbesondere kapazitive Sensoren, die kommerziell erhältlich sind
(z. B. vom Typ MiniCap 2 der Firma Panametrics GmbH, D-65719
Hofheim). Betriebsschaltungen für
solche Sensoren sind in U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik,
9. Auflage, Springer-Verlag,
Berlin, 1989, auf den Seiten 922–925 beschrieben.
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Als Betauungssensoren eignen sich
resistive oder kapazitive Sensoren. Insbesondere bietet es sich
an, einen kapazitiven Betauungssensor dadurch zu realisieren, dass
eine Interdigitalstruktur aus Leiterbahnen direkt auf einer ohnehin
vorhandene Elektronikplatine vorgesehen wird. Da mithin Elektronikplatinen
besonders empfindlich auf Betauung reagieren, kann dadurch gleich
am empfindlichsten Ort gemessen werden, wobei nur minimale Mehrkosten
anfallen. Ein solcher Betauungssensor nach der Erfindung mit einer
Interdigitalstruktur aus Leiterbahnen wird später anhand des in 12 dargestellten Beispiels
noch genauer erläutert.
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Vibration, eine weitere wichtige
Einflussgröße auf die
Lebensdauer und Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes,
führt häufig zu
Bauteilbrüchen durch Materialermüdung. Die
Vibration kann durch Beschleunigungssensoren 43 überwacht
werden. Früher
verwendete Sensoren mit Dehnungsmessstreifen auf einer messebehafteten
Membran werden heute weniger verwendet, dagegen eher mikromechanische
Sensoren. Ein Beispiel eines solchen Beschleunigungssensors 43 ist
der Typ ADXL 202 der Firma Analog Devices. Da Vibration
oft erst nach langer Einwirkung zum Versagen führt, ist es am besten, die
Einflüsse
und Wirkungen der Vibration fortdauernd zu überwachen und, über einen
Mikroprozessor, die kumulierte Wirkung von Vibration und Temperatur zu
erfassen.
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Kräfte wirken auch auf mediumsberührende Sonden
bei dementsprechend ausgestatteten Feldmessgeräten, insbesondere zum Beispiel
bei solchen, die zur Füllstandsmessung
verwendet werden. Strömende
Flüssigkeiten üben auf
starre Sonden Querkräfte
aus (siehe 1). Schüttgüter (siehe 2) können Zugkräfte auf Sonden ausüben. Die Krafteinwirkung
ist eine wichtige Einflussgröße auf die
Lebensdauer und Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes.
Eine Überlastung
der Sonde bzw. eines Befestigungspunktes des Feldmessgerätes am Behälter kann
beispielsweise durch rechtzeitiges Abschalten der Befüllung bei
Schüttgütern oder
eines Rührwerks
bei Flüssigkeiten
verhindert werden.
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Zweckmäßigerweise wird die Krafteinwirkung
auf eine Sonde mittels Dehnungsmessstreifen 44 bestimmt,
die nach der Erfindung vorzugsweise auf zwei Seiten eines Adapters
für eine
Seilsonde aufgeklebt werden. Eine solche Ausführungsform der Erfindung wird
später
im Zusammenhang mit den 6 bis 11 erläutert und beschrieben.
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Für
eine Zugkraftmessung werden die Dehnungsmessstreifen 44,
die in Form von zwei Halbbrücken
ausgeführt
sind, vorzugsweise so beschaltet, dass sowohl eine thermische Ausdehnung
als auch eine Biegung allein nicht zu einem Ausgangssignal führen. Soll
dagegen die Querkraft gemessen werden, werden sinnvollerweise vier
Halbbrücken
eingesetzt, die paarweise so beschaltet werden, dass jeweils mit
einem Paar die Querkraft in zwei zueinander senkrechten Richtungen
gemessen werden kann.
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Selbstverständlich lassen sich die Dehnungsmessstreifen 44 auch
innerhalb des Messgerätegehäuses anordnen.
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Statt Dehnungsmessstreifen sind auch
einfachere Methoden der Kraftmessang denkbar. Beispielsweise kann
ein federndes Element so angeordnet werden, dass sich bei einer
bestimmten Kraft eine bestimmte Auslenkung ergibt, die mit einem
induktiven oder kapazitiven Näherungsschalter
bestimmt werden kann oder einen mechanischen Schaltkontakt betätigt, beispielsweise über einen
Magneten ein Reedrelais.
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Noch eine andere wichtige Einflussgröße auf die
Lebensdauer und die Funktionsfähigkeit
ist der Gehalt an unerwünschtem
Gas im Messgerätegehäuse.
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Besonders kritisch ist es, wenn aggressive Gase
aus einem Prozess in das Messgerätegehäuse eindringen
and dort Kunststoffteile zersetzen bzw. Metallteile korrodieren.
Aber auch das Entweichen in die Umgebung durch ein Messgerät hindurch
ist in der Regel unerwünscht.
Unter Umständen
können eingedrungene
Gase auch zu einer Explosion des Geräts führen. Zum Nachweis von eingedrungenen Gasen
eignen verschiedene Sensoren bzw. Verfahren.
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Eine der Möglichkeiten festzustellen,
ob in das Messgerätegehäuse unerwünschte Gase
eingedrungen sind, ist, den Druck im Messgerätegehäuse mittels eines Drucksensors 45 zu
erfassen, falls das betreffende Gas aus einem Behälter mit Überdruck eindringen
kann und dann im Messgrätegehäuse zu einem
Druckanstieg führt.
Zur Druckmessung eignen sich die bekannten Methoden, insbesondere
der Nachweis der Deformation einer Membran über Dehnungsmessstreifen. Betriebsschaltungen
für solche Sensoren 45 sind
beispielsweise in U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik,
9. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1989, Seite 908–920 beschrieben.
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Kleben einer Messung des Drucks mit
einem Drucksensor 45 kann als Sensor 46 zur Erfassung
einer Konzentration unerwünschter
Gase im Messgerätegehäuse beispielsweise
auch ein Keramikwiderstand verwendet werden, dessen Widerstandswert sich
bei Adsorption des nachzuweisenden Gases ändert. Eine andere Art von
Sensor 46 zur Bestimmung der Gaskonzentration ist ein MOSFET,
dessen Schwellenspannung sich bei Adsorption des nachzuweisenden
Gases unter dem Gate ändert.
doch eine andere Variante eines Gassensors stellt ein Sensor 46 dar,
bei dem eine Absorption elektromagnetischer Wellen, insbesondere
im Infraroten, für
den spezifischen Nachweis einzelner Gase verwendet wird. Als Lichtquellen
eignen sich Laserdioden, z. B. Bleisalzdioden, die mittlerweile
für verschiedene
Wellenlängen
erhältlich
sind, oder thermische Strahler, die bei Bedarf mit Kalziumfluoridfenster
Licht bis 9 um Wellenlänge
abstrahlen. In diesem Bereich liegt die Anregung von Schwingungen
vieler Moleküle
(siehe dazu z. B. H. Haken, M. C. Wolf. Molekülphysik und Quantenchemie,
Springer-Verlag,
Berlin, 1991, Seite 153–178).
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Die Konzentration unerwünschter
Gase im Innern des Messgerätegehäuses kann
auch mittels eines Sensors 46 bestimmt werden, bei dem
eine Schallgeschwindigkeit bestimmt wird, beispielsweise im Ultraschallbereich,
im Messgerätegehäuse überwacht
wird und mit einer vorher bestimmten Eigenfrequenz eines Hohlraums
im Messgerätegehäuse verglichen
wird. Die Schallgeschwindigkeit variiert für verschiedene Gase im Bereich
einiger Hundert Meter pro Sekunde bis über 1000 Mieter pro Sekunde
(siehe z. B. Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik,
Band I, 9. Auflage, Verlag Walter de Gruyter & Co., Berlin, 1974, Seite 492–493), sie
kann daher auch zur Bestimmung von eingedrungenen unerwünschten
Gasen herangezogen werden.
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Wie oben bereits erwähnt und
in 4 veranschaulicht
wird wenigstens eine der erfassten Einflussgrößen Temperatur, Feuchtigkeit,
Vibration, Krafteinwirkung, Druck, Konzentration unerwünschter
Gase im Messgerätegehäuse des
Feldmessgerätes
durch einen geeigneten Sensor 41, 42, 43, 44, 45, 46 oder
Wandler erfasst und ist Eingangsgröße 47 des Verfahrens 40.
Diese Einflussgröße 47 wird
einem Vergleich 48 mit einem minimal zulässigen Wert 49 für die betrachtete
Einflussgröße unterzogen.
Der minimal zulässigen
Wert 49 ist vorzugsweise in einem Speicher 50 im
Feldmessgerät
gespeichert und wird für
den Vergleich 48 mit der aktuell erfassten Einflussgröße 47 ausgelesen.
Ist die aktuell erfasste Einflussgröße 47 kleiner als
der minimal zulässigen Wert 49 wird
ein Alarmsignal 51 erzeugt, das beispielsweise direkt als
akustisches oder optisches Signal ausgegeben wird. Die einfachsten
Realisierungen von geeigneten Signalen sind beispielsweise eine
im Feldmessgerät
integrierte oder außen
daran angebrachte Sirene und eine Blinkleuchte. Das Alarmsignal 51 kann
aber auch auf dem Display, der Anzeige 52 des Feldmessgeräts angezeigt
werden. Falls gewünscht,
ist es auch auf einfache Weise möglich,
ein entsprechendes Alarmsignal auf einen Bus 53 zu geben.
Das Alarmsignal 51 kann so z.B. zu einer Messwarte übertragen
werden.
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Ist die aktuell erfasste Einflussgröße 47 größer als
der minimal zulässigen
Wert 49 wird sie einem Vergleich mit einem maximal zulässigen Wert 55 für die betrachtete
Einflussgröße unterzogen.
Der maximal zulässigen
Wert 55 ist vorzugsweise im Speicher 50 im Feldmessgerät gespeichert
und wird für
den Vergleich 54 mit der aktuell erfassten. Einflussgröße 47 ausgelesen.
Ergibt sich aus dem Vergleich 54, dass die aktuell erfasste
Einflussgröße 47 größer als
der maximal zulässigen
Wert 55 ist, wird ebenfalls das Alarmsignal 51 erzeugt,
das ein dem oben beschriebenen Alarmsignal entsprechendes Signal
oder an anderes sein kann. Auch dieses Alarmsignal kann entweder
direkt als akustisches oder optisches Signal ausgegeben werden und über die oben
beschriebene Sirene und/oder Blinkleuchte ausgegeben werden. Das Alarmsignal 51 kann
aber auch auf dem Display, der Anzeige 52 des Feldmessgeräts angezeigt
und/oder, falls gewünscht,
auf den Bus 53 gegeben werden. Ist die aktuell erfasste
Einflussgröße 47 kleiner
als der maximal zulässige
Wert 55, dann wird er auf der Anzeige 52 des Feldmessgerätes ausgegeben.
Falls eine spätere
Auswertung von erfassten Einflussgrößen 47 und/oder von
erzeugten Alarmsignalen 51 gewünscht wird, empfiehlt es sich,
die jeweils generierten Alarmsignale 51 und die Einflussgrößen 47 mit
den dazugehörenden
Daten und Zeitpunkten im Speicher 50 zu speichern.
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5 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsform
eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens 60 zur
Bestimmung des Zustands eines Feldmessgerätes, das nach der Erfindung
mit wenigstens einem, vorzugsweise jedoch mehreren entsprechenden
Sensoren zur Erfassung von Einflussgrößen auf die Lebensdauer und
Funktionsfähigkeit
des Feldmessgerätes
ausgestattet ist.
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Wie bei dem bereits in 4 dargestellten und oben
beschriebenen ersten Verfahren 40 nach der Erfindung (siehe 4) ist auch beim zweiten Verfahren 60 wenigstens
eine der von einem geeigneten Sensor 41, 42, 43, 44, 45, 46 oder
Wandler erfassten Einflussgrößen Temperatur,
Feuchtigkeit, Vibration, Krafteinwirkung, Druck, Konzentration unerwünschter
Gase im Messgerätegehäuse des
Feldmessgerätes
Eingangsgröße 61 des
zweiten Verfahrens 60. Die Bedeutung der einzelnen Einflussgrößen, ihre
Erfassung und geeignete Sensoren wurden oben ausführlich erläutert und
beschrieben.
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Vorzugsweise wird die aktuelle Einflussgröße 61 gespeichert,
um sie für
weitere Auswertungen bereitstellen zu können. Die Speicherung 62 ist
aber nicht zwingend erforderlich. Sie kann auch später im Verfahren 60 vorgenommen
werden. Die Einflussgröße 61 oder
die Einflussgrößen, falls
mehrere herangezogen werden, werden vorzugsweise entweder als solche
oder zusammen mit dem bzw. den Zeitpunkten und Daten, an denen sie erfasst
wurden, im Speicher 50 des Feldmessgerätes gespeichert (siehe dazu
auch 4).
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Anschließend wird eine Bestimmung 63 der verbleibenden
voraussichtlichen Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des betrachteten Feldmessgerätes vorgenommen.
Basis der Bestimmung 63 ist ein vorbestimmter mathematischer
funktionaler Zusammenhang zwischen den erfassten Einflussgrößen und
der Lebensdauer des Feldmessgerätes.
Die Lebensdauer ist dabei nicht nur eine Funktion verschiedener
Einflussgrößen sondern
auch eine Funktion der Zeit, vorzugsweise berücksichtigt sie auch den kombinierten
Einfluss mehrerer Einflussgrößen. Diese
Lebensdauer-Funktion 64, die vorzugsweise im Speicher 50 des
Feldmessgerätes
gespeichert ist, wird durch Versuch oder Simulation durch Variation der
verschiedenen Einflussgrößen ermittelt,
woraus sich die zu erwartende verbleibende Lebensdauer berechnen
lässt.
Als Beispiel sei hier ein Vibrationsgrenzschalter genannt, der mit
einer piezoelektrisch erregten Stimmgabel arbeitet, die nach einer
gewissen Anzahl von Vibrationen durch Materialermüdung bricht.
Diese Anzahl n sei beispielhaft durch eine lineare Funktion der
Temperatur T gegeben: n(T) = a – bT,wobei
a und b positive Zahlen sind. Um im Betrieb bei wechselnden Temperaturen
eine Prognose über
die Lebensdauer zu erhalten, muss deshalb die Temperatur erfasst
werden. Die verbleibende Lebensdauer kann dann im obigen Beispiel
etwa nach (a – bTm)/fberechnet werden, wobei Tm die
mittlere Temperatur während
des bisherigen Einsatzes ist und f die Schwingungsfrequenz der Stimmgabel.
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Ein anderes Beispiel der Abhängigkeit
der Lebensdauer und Funktionsfähigkeit
wurde bereits oben beschrieben. Die Festigkeit vieler Stoffe nimmt mit
zunehmender Temperatur ab. Es ist daher sinnvoll, den funktionalen
Zusammenhang zwischen Temperatur und Vibration und der Lebensdauer
für die
im betrachteten Feldmessgerät
verwendete Elektronikplatine unter kontrollierten Bedingungen zu
erfassen. Mit dieser vorbestimmten Lebensdauerfunktion kann dann
entsprechend dem in 5 dargestellten
zweiten Verfahren nach der Erfindung in Verbindung mit dem Erfassen
der Temperatur und von Vibration eine mögliche Rissbildung an Lötstellen
der betrachteten Elektronikplatine vorausgesagt werden. Weitere
Beispiele über
die Einflüsse
auf die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des betrachteten Feldmessgerätes oder
Teilen oder Modulen davon wurde oben bereits angegeben.
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Sinnvollerweise werden zur Bestimmung
der voraussichtlichen Lebensdauer und Funktionsfähigkeit nicht nur durch zusätzliche
Sensoren 41–46 erfasste
Einflussgrößen berücksichtigt
sondern auch solche Einflussgrößen, die
auch statistischer Natur oder gar berechnet sind. Solche Einflussgrößen, die wie
die 'gemessenen' Einflussgrößen sehr
bestimmend für
die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des
betrachteten Feldmessgerätes
sein können,
sind in 5 beispielhaft
dargestellt. Sie sind sinnvollerweise im Speicher 50 gespeichert.
Es handelt sich dabei um die bis zum betrachteten Zeitpunkt erfolgte Anzahl 65 von
Einschaltvorgängen,
die Anzahl 66 von Spannungstransienten auf den Leitungen 11 des Feldmessgeräts (siehe
dazu 1 und 2), der Anzahl 67 von
elektrostatischen Entladungen, um registrierte Extremwerte 68 von 'gemessenen' Einflussgrößen und
um die Anzahl 69 der bis zum Betrachtungszeitpunkt vergangenen
Betriebsstunden.
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Nach der Bestimmung 63 der
voraussichtlichen Lebensdauer des Feldmessgeräts wird die ermittelte Lebensdauer
einem Vergleich 70 mit einem aus dem Speicher 50 ausgelesenen,
vorbestimmten kritischen Lebensdauerwert 71 unterzogen.
Ein solch kritischer Lebensdauerwert 71 kann beispielsweise ein
vorbestimmter Zeitraum sein, der benötigt wird, um ein Ersatzgerät beschaffen
zu können.
Praktisch heißt
das, dass wenn von einer Bestellung bis zur Lieferung, Installation
und Einrichtung eines Ersatzgerätes üblicherweise
z.B. zwei Wochen benötigt werden,
es sinnvoll ist, einen kritischen Lebensdauerwert von wenigstens
diesen zwei Wochen festzusetzen, damit bei einem tatsächlichen
Ausfall des überwachten
Feldmessgerätes
rechtzeitig Ersatz zur Verfügung
steht.
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Es ist klar, dass der kritische Lebensdauerwert 71 sich
nicht nur auf das gesamte Feldmessgerät beziehen muss. Er kann auch
für einzelne,
besondere Komponenten, Module oder Teile des Feldmessgeräts festgelegt
werden, insbesondere dann, wenn diese Komponenten, Module oder Teile
für die Funktionsfähigkeit
des Feldmessgeräts
bestimmend sind. Besonders Dichtungen zum Prozess und natürlich die
Elektronik im Messgerätegehäuse sind
kritische Teile des Feldmessgerätes.
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Stellt sich beim Vergleiche 70 heraus,
dass die bestimmte Lebensdauer 63 kleiner oder gleich dem
kritischen Wert 71 ist, wird wiederum das aus dem ersten
Verfahren 40 bekannte akustische oder optische Alarmsignal 51 erzeugt
und am Feldmessgerät
ausgegeben (siehe dazu 4).
Gleichfalls kann bei Bedarf auch das Alarmsignal 51 auf
der Anzeige 52 des entsprechend ausgestatteten Feldmessgerätes oder
auf den damit verbundenen Bus 53 ausgegeben werden.
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Ist die bestimmte voraussichtliche
Lebensdauer 63 größer als
der kritische Lebensdauerwert 71, so wird ein Benachrichtigungssignal 72 erzeugt, das
Auskunft über
die voraussichtliche verbleibende Lebensdauer des Feldmessgerätes bzw.
einzelner seiner Teile, Komponenten oder Module gibt. Ein solches
Benachrichtigungssignal 72 kann beispielsweise die Angabe
einer prozentual verbleibenden Lebensdauer oder die verbleibende
Lebensdauer in Monaten, Wochen und Tagen sein. Aber auch Angaben
zur Dauer bis zum nächsten
voraussichtlichen Austausch eines Bauteils sind denkbar. Das Benachrichtigungssignal 72 wird
auf der Anzeige 52 des Feldmessgerätes angezeigt und vorzugsweise
auf den mit dem Feldmessgerät
verbundenen Bus 53 gegeben, so dass es in einer mit dem
Bus 53 verbundenen Messwarte aufgenommen und entsprechend
bearbeitet werden kann.
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Alle Signale, ob Alarmsignal 51 oder
Benachrichtigungssignal 72, die auf den Bus 52 gegeben
werden, können
von einem anderen an den Bus angeschlossenen Gerät aufgenommen und ausgegeben
werden, sofern dieses Gerät
dafür eingerichtet ist.
Sinnvoll ist dies beispielsweise bei einem sogenannten Handheld-Gerät 73,
wie es in der Prozessmesstechnik üblich ist und wie es in 5 schematisch dargestellt
ist.
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Die 6 und 7 veranschaulichen eine bevorzugte
Ausführungsform
eines Feldmessgeräts 80 nach
der Erfindung. Bei dem hier dargestellten Feldmessgerät 80 wird
als Einflussgröße auf die
Funktionsfähigkeit
bzw. Lebensdauer des Feldmessgerätes
die Krafteinwirkung erfasst, die auf seine Sonde 85, im
Betrieb ausgeübt
wird. Um die Seilsonde 85 ist bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
ein Adapter 84 angeordnet, der die Messung der Zugkraft
auf die Seilsonde erlaubt. Zweckmäßigerweise wird die Krafteinwirkung
auf die Seilsonde 85, wie in 7 dargestellt,
mit Dehnungsmessstreifen ("DMS") 87a, 87b bestimmt.
Eine auf die Seilsonde 85 einwirkende Kraft wirkt auch
auf ihre Einspannung 84b und da diese im Adapter 84 gegen
eine dortige Schulter fest verschraubt ist auch am Adapter 84,
wo sie erfasst werden kann.
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7 zeigt
einen vergrößert dargestellten Längsschnitt
durch den Adapter 84. Bei dem hier dargestellten Beispiel
handelt sich es um ein rohrförmiges
Metallteil mit auf zwei Seiten aufgeklebten Dehnungsmessstreifen 87a und 87b.
Um die gewünschte Auflösung zu
erhalten, ist vorzugsweise die Wandstärke des Adapters 84 in
einem Bereich 86, wo die DMS 87a und 87b montiert
werden, verringert. Zum Schutz der montierten DMS 87a und 87b vor
Feuchtigkeit wird über
den Adapter 84 eine Hülse 90 geschoben,
die federnd über
O-Ringe abgedichtet ist, wie in 7 veranschaulicht.
Der Adapter 84 kann in ein Prozessgewinde eingeschraubt
werden. Zur elektrischen Kontaktierung der DMS 87a und 87b dienen Verbindungskabel 88,
die beispielsweise durch eine Kabeldurchführung 89 am Adapter 84 herausgeführt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Beschattung 100 der
DMS 87a und 87b und deren Layout ist in 8 zur Erfassung einer auf
die Seilsonde 84 (siehe dazu 6 und 2) wirkenden Zugkraft dargestellt.
Die Wirkrichtung der Zugkraft ist in 2 durch
einen Pfeil FL veranschaulicht. Für die Zugkraftmessung
werden die Dehnungsmessstreifen 87a und 87b, die
als Halbbrücken
ausgeführt
sind, so beschaltet, dass sowohl ihre thermische Ausdehnung als
auch eine Biegung zu keinem Ausgangssignal führen. Als Verstärker 101 eignen
sich insbesondere sogenannte, instrumentation amplifier', beispielsweise
die Typen INA 102 oder XTR 106 von Burr-Brown.
Die symmetrische Anordnung der DMS 87a und 87b im
Bereich 86 des Adapters 84 (siehe dazu auch 6 und 7) ist in 9 dargestellt,
als Querschnitt durch den Adapter 84. Der Übersichtlichkeit
halber ist die Seilsonde 85 hier nicht gezeigt.
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Soll dagegen eine auf die Sonde 5 wirkende Querkraft
FT (siehe dazu auch 1) erfasst werden, so werden sinnvollerweise
dazu vier Halbbrücken-DMS
eingesetzt, die paarweise so beschaltet werden, dass jeweils mit
einem Paar die Querkraft in zwei zueinander senkrechten Richtungen
gemessen werden kann. Ein Beispiel einer Schaltung 105 für ein solches
Paar von DMS 87a und 87b ist in 10 dargestellt. Die mechanische Anordnung
zusammen mit einem anderen, ebenfalls nach der 10 beschalteten DMS-Paar 87a' und 87b' im Bereich 86 des
Adapters 84 (siehe dazu auch 6 und 7) ist in 11 dargestellt, als Querschnitt durch
den Adapter 84.
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Interessanterweise kann die als Einflussgröße auf die
Lebensdauer des Feldmessgerätes
erfasste Zugkraft an der Seilsonde auch zusätzlich zur Bestimmung eines
Füllstands
des Mediums im Behälter
herangezogen werden. Damit kann bei Schüttgütern aus der Zugkraft die direkte
Messung des Füllstand
mit einem kapazitiven oder TDR-Sensor überprüft werden. Die Zugkraft steigt
mit zunehmendem Füllstand,
der Dichte des Füllguts,
dem Reibungskoeffizienten zwischen Sonde und Füllgut, dem Sondendurchmesser,
dem Silo- bzw. Behälterdurchmesser
und dem Horizontallastverhältnis
des Füllguts und
sinkt mit dem Reibungskoeffizienten zwischen Füllgut und Behälterwand.
Sie lässt
sich daher für
jeden Füllstand
nach der Scheibenelementmethode nach Janssen berechnen (siehe P.
Martens (Hrsg.): Silo-Handbuch, Ernst & Sohn Verlag, Berlin) und beispielsweise
als Eichkurve im Gerät
ablegen.
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Bei Flüssigkeiten in offenen Gerinnen
kann aus der Krafteinwirkung auf die Sonde auch die Strömungsgeschwindigkeit
bestimmt werden und daraus zusammen mit dem Füllstandswert ein Durchfluss
errechnet werden. Damit erübrigt
es sich, bei der Füllstandsmessung
in offenen Gerinnen eine Düse
zum Rückstauen
der Flüssigkeit
einzubauen. Man braucht nur ein Füllstandsmessgerät zur Durchflussmessung anstatt
zwei. Bei nicht zu hoher Viskosität und nicht zu geringer Fließgeschwindigkeit
v stellt sich eine turbulente Strömung um eine Stabsonde mit
Durchmesser d ein, wobei das Drehmoment durch die Querkraft auf
die Sonde durch M = 0,45·ρ·v2·d·L·(LN – 0,5·L)gegeben
ist, mit der Dichte ρ,
dem Füllstand
L und der Sondenlänge
LN. Aus dieser Formel lässt sich dann einfach die Fliessgeschwindigkeit
berechnen. Alternativ kann die Vibrationsfrequenz des Sondenstabs
quer zur Strömungsrichtung
gemessen werden. Da sich hinter dem Stab abwechselnd links und rechts
Wirbel ablösen,
wird der Stab zu Schwingungen angeregt, deren Frequenz proportional
zur Fliessgeschwindigkeit ist.
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Selbstverständlich lassen sich die Dehnungsmessstreifen
auch innerhalb des Feldmessgeräts
anordnen. Statt Dehnungsmessstreifen sind auch einfachere Methoden
der Kraftmessung denkbar.
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Wie bereits oben beschrieben, führen beschädigte Dichtungen
und ein unzureichender Schutz vor Regen, Spritzwasser etc. zum Eindringen von
Feuchtigkeit in das Messgerätegehäuse des Feldmessgerätes, was
zur einer Beeinträchtigung der
voraussichtlichen Lebensdauer und der Funktionsfähigkeit des Feldmessgerätes führen kann.
In kritischen Situationen sollte daher die Feuchtigkeit im Innern
des Messgerätegehäuses überwacht
und als Einflussgröße erfasst
werden. Dazu bieten sich Feuchte- oder Betauungssensoren an. Ein
Betauungssensor spricht zwar erst bei Betauung an, ist dafür aber wesentlich
preiswerter und kann ein einfacher resistiver oder kapazitiver Sensor
sein. In 12 ist ein
Betauungssensor 110 für
ein erfindungsgemäßes Feldmessgerät dargestellt,
der relativ einfach und kostengünstig
zu realisieren ist, da er als kapazitiver Betauungssensor mit einer
Interdigitalstruktur 111 aus Leiterbahnen 112 direkt
auf eine ohnehin vorhandene und im Messgerätegehäuse unterzubringende Elektronikplatine 113 geätzt wird.
Dadurch fallen minimale Kosten an, gleichzeitig reagieren mithin
Elektronikplatinen besonders empfindlich auf Betauung, so dass dann
gleich am empfindlichsten Ort gemessen werden kann.