DE19646582A1 - Strömungsüberwachungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strömungsüberwachungsge­ rät zur Überwachung des Fließzustandes explosiver Medien, mit einem in das Medium eintauchenden Sensorgehäuse das aus einem sensorischen Teil der in seinem stirnseitigen Teil innen eingebaute elektronische Komponenten enthält und einem Befestigungsteil, das vorzugsweise in eine Wandung einschraub­ bar ist, besteht, mit einem das elektrische Signal der im Sensorteil eingebauten elektronischen Komponenten auswertenden und in einem Verstärkergehäuse eingebrachten Verstärkerteil, mit einem Anwendungsbereich, bei dem der sensorische Teil und der Befestigungsteil in einen Bereich hoher Explosionsgefähr­ dung, vorzugsweise Zone 1, und das den Verstärker aufnehmenden Verstärkergehäuse in einen Bereich niedriger Explosionsge­ fährdung, vorzugeweise Zone 2, eingebracht ist.

Strömungsüberwachungsgeräte der Eingangs genannten Art werden in vielen unterschiedlichen Ausführungen zur Prozeßkontrolle in der Industrie eingesetzt. Hier werden insbesondere Strö­ mungsüberwachungsgeräte bevorzugt, bei denen der sensorische Meßfühler und die zugehörende auswertende Elektronik als ein Gerät in dieser Ausführung auch als Kompaktgerät bezeichnet, ausgeführt sind. Solche Geräte sind aus den Schriften DE 39 33 689 DE 39 43 437, DE 41 20 752 bekannt. Verfahren, die nach dem Wärmeübergangsmeßprinzip aufgebaut sind, wie es den o. g. Schriften zu entnehmen ist, haben gegenwärtig eine besondere Bedeutung erlangt, weil es sich hier um ein sehr sicheres Meßprinzip handelt, und weil es kostengünstig zu realisieren ist.

Auch im Bereich explosionsgefährdeter Medien, hat sich dieses Meßprinzip gut bewährt. Die Ausbildung eines Strömungsüber­ wachungsgerätes als Kompaktgerät, stößt jedoch auf grundsätz­ liche Schwierigkeiten, insbesondere dann, wenn ein preis­ günstiges Gerät hergestellt werden soll, das die vorschriebenen Sicherheitsbedingungen einhält, und für das der Einbau in ein kostenaufwendiges und von der Bauform her unhandliches Gehäuse nicht vorgeschrieben ist. Solche Lösungen sind bislang für Strömungsüberwachungsgeräte, die insbesondere nach dem Wärme­ übergangsmeßprinzip aufgebaut sind, nicht bekannt geworden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Konstruktionsprinzipien für ein Strömungsüberwachungsgerät anzugeben, das insbesondere das Wärmeübergangsmeßprinzip benutzt, das als handliches, kompaktes Gerät auf­ gebaut ist, dessen sensorischer Teil in einem Sensorgehäuse eingebaut ist, das zumindest teilweise in das Medium einer hohen Explosionsgefährdung eintaucht, und dessen Ver­ stärkergehäuse das mit dem Sensorgehäuse fest verbunden ist, sich außerhalb dieses Bereiches erhöhter Explosionsgefährdung, vorzugsweise in Zone 2, befindet und bei dem die elektrische Stromversorgung und elektrische Nachschaltgeräte keinen besonderen sicherheitstechnischen Auflagen unterliegen.

Das so konzipierte Strömungsüberwachungsgerät soll gleich­ zeitig den Vorschriften der Eigensicherheit genügen, vorzugs­ weise mit den Kennzeichen EExia . . oder EExib . . , mit einer höchsten Oberflächentemperatur des sensorischen Teils von 135°C (T4), soll klein aufgebaut sein und nicht den Vorschriften der Druckkapselung unterliegen.

Die Lösung dieser Zielsetzung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 realisiert. Insbesondere bei Strömungsüberwachungs­ geräten, die nach dem Wärmeübergangsmeßprinzip aufgebaut sind, werden für die Heizung eines der Meßelemente höhere Ströme benötigt.

Diese erhöhte Ströme führen dazu, daß auch alle sicherheits­ relevanten Komponenten für diese Ströme ausgelegt sein müssen. Insbesondere führt die Fehlerbetrachtung dazu, daß z. T. 10fach höhere Ströme angesetzt werden müssen. Während bei Geräten, bei denen Sensorgehäuse und Verstärkergehäuse voneinander örtlich getrennt sind, keine thermische Über­ kopplung des Verstärkerteils auf das Sensorteil ein­ treten kann, und deswegen einfache Konstruktionsprinzipien für die Beherrschung dieses thermischen Problems herangezogen werden, besteht bei kompakten Geräten grundsätzlich eine thermische Kopplung zwischen dem Verstärkerteil und dem Sensorteil. Erfindungsgemäß wird diese Problematik da­ durch gelöst, daß die die Eigensicherheit bestimmenden tem­ peratursensiblen Bauelemente durch eine Wärmebarriere von denjenigen Bauelementen des Verstärkerteils getrennt werden, die Wärme erzeugen oder im Fehlerfall Wärme erzeugen können. Diese Wärmebarriere ist in der Weise aufgebaut, daß sie aus einem vorzugsweise temperaturbeständigen Schaumstoff be­ steht und mit einer zusätzlichen Metallplatte verbunden ist. Diese Metallplatte ist mit einer Temperatursicherung ver­ sehen, die elektrisch isoliert aber wärmeleitend auf dieser Platte aufgebracht ist. Eine besondere Abblockung der von dem Verstärkerteil ausgehenden Wärmebelastung der die Eigensicherheit bestimmenden temperaturempfindlichen elektro­ nischen Komponenten besteht darin, daß die Metallplatte wärmeleitend mit einem vorzugsweise metallischen Verstärker­ gehäuse verbunden ist. Für eine gleichmäßige Temperaturver­ teilung in dem die Sicherheit bestimmenden Bereich des Ver­ stärkergehäuses besteht darin, daß die die Eigensicherheit bestimmenden Bauelemente, die vor zu hohen Temperaturen geschützt werden müssen, auf einem Träger aufgebracht sind, der zwischen Sensorgehäuse und Wärmebarriere im Ver­ stärkergehäuse angeordnet ist, und daß dieser Bereich mit einem temperaturbeständigen und gut wärmeleitenden Verguß­ mittel aufgefüllt ist.

Gerade bei Geräten, die nach dem Wärmeübergangsmeßprinzip aufgebaut sind, und bei denen mindestens eine elektrische Komponente des sensorischen Teils geheizt ist, ist es von erheblicher Bedeutung, daß zur Erreichung einer höchsten Oberflächentemperatur des sensorischen Teils von max. 135°C (T4) kein Durchgriff der Temperatur des Verstärkerteils auf das in den explosiven Bereich eingebrachten Sensorge­ häuse (1, 2) erfolgt. Durch die in dieser Erfindung be­ schriebenen Maßnahmen ist es nicht nur möglich, ein kleines, kompaktes und preisgünstiges Gerät zu konstruieren, sondern auch einen anwendungstechnischen Fortschritt zu erreichen, der darin besteht, daß dieses Gerät an Kabel, Strom- oder Auswertungsgeräte beliebiger Ausführung angeschlossen werden kann, die keinen sicherheitstechnischen Auflagen unterliegen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Anwendung eines nach dem Wärmeübergangs­ meßprinzig arbeitenden Strömungsüberwachungsgerätes, das als Kompaktgerät aufgebaut ist. In einer Rohrleitung (4) befindet sich ein Medium erhöhter Explosionsgefährdung (Zone 1). Das Sensorgehäuse (3) ist mit seinem Befestigungsteil in einen Stutzen (5) des Rohrleitungssystems (4) eingeschraubt. Das Verstärkergehäuse (6) des Strömungsüberwachungsgerätes ist fest mit dem Sensorgehäuse (3) verbunden. In seinem inneren Teil ist ein Verstärkerteil (15) eingebaut. Die Strom­ zuführung erfolgt durch eine Leitung (7) beliebiger Ausführung und Länge. Das Kabel (7) ist an ein Stromversorgungsgerät (21) und an ein elektrisches Auswertungsgerät (22), z. B. eine SPS, angeschlossen. Beide Geräte sind nicht "Ex-klassifiziert" und unterliegen keinen besonderen sicherheitstechnischen Auf­ lagen. Insbesondere darf das Stromversorgungsgerät hohe Ströme, z. B. 10 A, abgeben. Auch dürfen beliebig viele Strömungs­ überwachungsgeräte an nur eine Stromversorgung angeschlossen werden, d. h. das Strömungsüberwachungsgerät kann anschluß­ seitig wie ein Gerät behandelt werden, das nicht für den Ex-Bereich vorgesehen ist.

Fig. 2 stellt eine Aufsicht des Strömungsüberwachungsgerätes dar. Gleichzeitig ist auch die mit der Wärmebarriere verbundene thermische Sicherung (18) dargestellt.

Fig. 3 stellt den Gesamtaufbau des Strömungsüberwachungs­ gerätes in dieser besonderen Ausführung dar. Das Sensor­ gehäuse (3), das vorzugsweise aus Metall gefertigt ist, ist über einen 6kant-Schraubanschluß so in das Verstärkergehäuse (6) eingebracht, daß eine Gehäuseausnehmung vorhanden ist, in die der 6kant exakt und verdrehsicher einbringbar ist. Das Verstärkergehäuse (6) ist vorzugsweise aus Kunstoff als Spritzteil gefertigt, kann jedoch auch in Metall ausgeführt sein. Die eigensicheren elektrischen Anschlüsse des sensorischen Teils (1) sind aus dem Sensorgehäuse innen herausgeführt (8) und an eine Platine (9) angeschlossen, die die Eigensicherheit be­ stimmenden und temperaturempfindlichen elektrischen Kompo­ nenten enthält. In der Seitenansicht oberhalb dieser Platine ist die Wärmebarriere (10) aufgebaut, an deren Unterseite eine Kupferplatte (17) aufgebracht ist. Mit dieser Kupfer­ platte ist eine thermische Sicherung (18) verbunden. Die thermische Barriere (10) besteht aus einem hochtemperatur­ stabilen Schaumstoff. Der Zwischenraum zwischen der Wärme­ barriere und dem Eintritt des Sensorgehäuses (3) in das Verstärkergehäuse (6) ist mit einem hochtemperaturstabilen und gut wärmeleitenden Vergußmedium (13), in diesem Falle einem gefüllten Polyurethan-Harz aufgefüllt. Diese Auffüllung hat thermischen Kontakt sowohl zur Außenwandung des Verstärker­ gehäuses (6), wie auch zur Kupferplatte (17). Die elektrischen Bauelemente der Leiterplatte (9) sind elektrisch verbunden mit einer weiteren Leiterplatte (11) und (12). Diese Leiter­ platten nehmen Komponenten auf, die der weiteren Signalver­ arbeitung dienen. Der verbleibende freie Raum innerhalb des Gehäuses ist ebenfalls mit einem wärmeleitenden und thermisch stabilen Vergußmittel (19) aufgefüllt. Das Gehäuse ist nach außen hin durch einen Deckel (20) abgeschlossen, der vorzugsweise mit O-Ringen gegen die Umwelt abgedichtet ist. Strom- und Signalanschlüsse erfolgen über die Leitung (7), die in eine dichtende Verschraubung in das Gehäuse eingeführt ist. Die ange­ schlossenen elektrischen Folgeeinrichtungen unterliegen keinen besonderen sicherheitstechnischen Vorschriften.

Die Ausbildung dieser Erfindung ist nicht eingeschränkt auf Ausführungen wie sie in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellt sind, sondern es sind auch Ausführungen denkbar, die aus einem einzigen Zylinder mit konstantem Durchmesser bestehen, und in dem mehrere Wärmebarrieren der beschriebenen Art eingebaut sind, und bei den andere Meßprinzipien, verwendet werden, wie z. B. Ultraschall, Mikrowellen oder Optik. Unter diesen Bedingungen ist es auch denkbar, daß das Strö­ mungsüberwachungsgerät zur Überwachung von Füllständen ver­ wendet wird.

Claims (8)

1. Strömungsüberwachungsgerät zur Überwachung des Fließzustandes explosiver Medien mit einem in das Medium eintauchenden Sensor­ gehäuse (2) bestehend aus einem sensorischen Teil (1), der in seinem stirnseitigen Teil innen eingebaute elektronische Komponenten enthält und einem Befestigungsteil (3), der vor­ zugsweise in eine Wandung einschraubbar ist, mit einem das elektrische Signal der im sensorischen Teil (1) eingebauten elektrischen Komponenten auswertenden und in einem Verstärker­ gehäuse (6) eingebrachten Verstärkerteil (15), mit einem An­ wendungsbereich, bei dem der sensorische Teil (1) und ein Teil des Befestigungsteils (3) in einem Bereich hoher Explosionsgefähr­ dung, vorzugsweise Zone 1, und das Verstärkergehäuse (6) in einem Bereich niedriger Explosionsgefährdung, vorzugsweise Zone 2, eingeschraubt ist, gekennzeichnet durch die Kombi­ nation der Eigenschaften:

• a. Sensorischer Teil (1), Befestigungsteil (3), das Verstärker­ gehäuse (6), bestehen zusammengebaut aus einer Einheit und bilden zusammen ein Kompaktgerät, wobei innerhalb des Verstärker­ gehäuses (6) die die Eigensicherheit bestimmenden temperatur­ sensiblen elektrischen Bauelemente auf einem ersten Träger (9), die der weiteren Signalverarbeitung dienenden elektrischen Bau­ elemente auf einem zweiten Träger (11, 12) angeordnet sind.
• b. Die auf dem ersten Träger (9) enthaltenen elektrischen Bauele­ mente bestimmen die Eigensicherheit des Stromkreises (8) für den sensorischen Teil.
• c. Die die Eigensicherheit bestimmenden temperatursensiblen Bauele­ mente des Verstärkerteils (15) sind durch eine Wärmebarriere (10) von demjenigen Bauelementen des Verstärkerteils (15) getrennt, die Wärme erzeugen oder im Fehlerfall Wärme erzeugen können.
• d. Das Kompaktgerät ist an elektrische Folgeeinrichtungen (21, 22) anschließbar, die keinen besonderen sicherheitstechnischen Auflagen unterliegen.

2. Strömungsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmebarriere (10) aus einem temperatur­ beständigen Schaumstoff besteht.

3. Strömungsüberwachungsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebarriere mit einer vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Metallplatte (17) versehen ist.

4. Strömungsüberwachungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallplatte mit der Wandung des Verstärker­ gehäuses (6) wärmeleitend verbunden ist.

5. Strömungsüberwachungsgerät nach Anspruch 3 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der Metallplatte eine Temperatur­ sicherung (18) elektrisch isoliert aber wärmeleitend verbunden ist.

6. Strömungsüberwachungsgerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Eigensicherheit bestimmenden Bauelemente, die vor zu hohen Temperaturengeschützt werden müssen, auf einer Leiterplatte (9) oder einer Trägerfolie aufge­ bracht sind, die zwischen Sensorgehäuse (3) und Wärmebarriere (10) im Verstärkergehäuse (6) angeordnet ist.

7. Strömungsüberwachungsgerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich zwischen Sensorgehäuse (3) und Wärmebarriere (10) mit einem gut wärmeleitenden und temperaturbeständigen Vergußmittel (13) aufgefüllt ist.

8. Strömungsüberwachungsgerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsprinzip des Gerätes auf einer Wärmeübergangsbestimmung beruht und daß mindestens eine elektrische Komponente des sensorischen Teils (1) geheizt ist.