DE4028883A1 - Verfahren und einrichtung zur anzeige eines ungewoehnlichen betriebszustandes einer maschine oder betriebseinrichtung, insbesondere leckanzeige bzw. leckmelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Anzeige eines ungewöhnlichen Betriebszustandes einer Maschine oder Betriebseinrichtung, insbesondere Leckanzeige, unter Verwendung eines Sensors zum Aufspüren und Signalisieren einer Leckage.

Zur Durchführung automatischer Meß- und Erkennungsaufgaben in der Technik werden in großem Umfange Überwachungs- und Kontrolleinrichtungen eingesetzt. Diese sind je nach Aufgabenstellung und Bauart in der Lage, wichtige Parameter und Betriebszustände von Aggregaten oder Anlagen zu überwachen. Eine besondere Gattung stellen hierbei Melder zur Anzeige eines gefährlichen Betriebszustandes dar. Beispiele hierfür sind Rauchmelder, Feuermelder, Gasmelder für Untertage- Betriebe oder Signalisiereinrichtung zur Anzeige eines kritischen bzw. überkritischen Betriebszustandes. Durch den Einsatz automatischer Meß- und Erkennungssysteme vom derzeitigen Stand der Technik gelingt es in aller Regel, größere Schäden, Unfälle oder gegebenenfalls Katastrophen zu verhindern. Eine wichtige Überwachungsaufgabe fällt in diesem Zusammenhang der Anzeige eines Lecks in einer Maschine oder Betriebseinrichtung zu. Wenn beispielsweise bei einem über längere Zeiträume ungenutzten Notstromaggegat der Kühlmittelkreislauf undicht würde, könnte beim Notfallbetrieb die Notstromerzeugung ausfallen und somit zu einer Katastrophe führen. Ein Leck im Kühlmittelsystem eines Kernkraftwerkes könnte ebenfalls bei zu später Entdeckung zu einer verheerenden Situation führen. Ferner können auch Leckagen in Heizöltanks erhebliche Umweltschäden verursachen.

Bekannte Einrichtungen zur Leckanzeige arbeiten beispielsweise mit mechanischen, magnetischen oder elektrischen Meßverfahren, z. B. mittels induktiver oder kapazitiver Erfassung eines aus dem Leck entweichenden flüssigen oder gasförmigen Mediums. Bekannt sind auch Detektoren, die auf eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit oder Änderung der Dielektrizitätskonstanten ansprechen, Temperaturänderungen registrieren oder mittels Ultraschall eine Änderung der Schallwellenreflexion messen, usw.

Die bekannten Meß- und Erkennungssysteme zum Aufspüren von Leckagen weisen vielfach Nachteile, Unzulänglichkeiten und technische Grenzen auf. Fallweise sprechen solche Melder erst an, wenn eine größere Menge Leckagemedium ausgetreten ist. Dadurch erfolgt die Meldung vergleichsweise spät, zum Teil erst mit erheblicher Verzögerung nach Entstehung des Lecks. Vergleichsweise geringe aber permanente Leckagen werden in einigen Fällen nicht erkannt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich auch daraus, daß beispielweise auf Änderungen eines elektrischen Zustandes wie Leitfähigkeit etc. ansprechende Detektoren auf Leckagemedien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften gegebenenfalls nicht reagieren oder Fehlmeldungen auslösen. Als weiterer Nachteil wird bei bekannten Leckage- Anzeigeeinrichtungen empfunden, daß sie sich nicht für eine miniaturisierte Bauform eignen und daher an manchen Einsatzorten wegen ihrer Größe nicht unterzubringen sind. Es besteht demnach ein dringendes Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren und System zur Anzeige von Leckagen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Leckanzeige unter Verwendung eines den Austritt einer Leckage signalisierenden Sensors anzugeben, welches berührungslos arbeitet, in gleicher Weise auf unterschiedliche Leckagemedien reagiert, und zwar unabhängig von deren physikalischen, chemischen oder elektrischen Eigenschaften, möglichst rasch anspricht und bereits ein Minimum an austretendem Medium wie Flüssigkeit oder Dampf anzeigt, in einem Temperaturbereich zwischen beispielsweise -40°C und +250°C anwendbar ist, auch in explosionsgefährdeten Bereichen, zum Beispiel der Zone 0 zugelassen ist und auch noch in druck- bzw. vakuumbeaufschlagten Räumen zuverlässig arbeitet. Darüber hinaus soll der Leckmelder in der Bauform soweit miniaturisierbar sein, daß er praktisch an allen gefährdeten Stellen problemlos anbringbar ist. Auch soll die Meßeinrichtung wartungsarm und unempfindlich gegen Störungen durch Umgebungseinflüsse wie Staub, Regen, Helligkeit oder Dunkelheit, Fremdlichteinfall etc. sein.

Die Lösung gelingt bei einem Verfahren der im Oberbegriff des ersten Anspruchs gekennzeichneten Art mit der Erfindung dadurch, daß das Aufspüren einer Leckage nach Maßgabe der einerseits im unbenetzten Zustand und andererseits im benetzten Zustand infolge einer Leckage sich sprunghaft ändernden Lichtreflexion einer Referenzfläche unter Verwendung eines die Referenzfläche abtastenden und deren unterschiedliche Reflexionszustände erfassenden und auswertenden optoelektronischen Sensors vorgenommen wird. Eine Ausgestaltung sieht vor, daß als optoelektronischer Sensor ein Reflexlichttaster mit einer Glasfiberoptik verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit Vorteil das Erfassen einer Leckage schon beim Austreten einer sehr geringen Menge von Leckagemedium, beispielsweise an einer sehr kleinen Referenzfläche eines Objektes, an welcher bekannte Meßeinrichtungen alleine schon aus Gründen der Baugröße und Bauform bisher nicht anbringbar waren. Infolge Nutzung einer Änderung des Reflexionszustandes der Referenzfläche als Stellgröße des Meßsystems sind unterschiedliche physikalische, chemische oder elektrische Eigenschaften des Leckagemediums für dessen Erkennung ohne Einfluß. Auch die Temperaturen des Leckagemediums oder des überwachten Objektes oder der Umgebung spielen bei der Signalisierung einer Leckage keine Rolle. Bei richtiger Anordnung des Reflexlichttasters und dessen Optik wird ein Signal annähernd verzögerungslos ausgelöst. Infolge Einsatz einer Glasfiberoptik, wobei die Lichtquelle und Schalteinrichtung an einer Stelle außerhalb des Gefahrenbereichs angeordnet sein kann, ergibt sich als weiterer Vorteil eine Einsatzmöglichkeit in explosiongefährdeten Bereichen, z. B. der Zone 0, in Bereichen mit Strahlungsgefährdung, beispielsweise in Kernkraftwerken, in druck- oder vakuumbeaufschlagten Räumen, an unzugänglichen Stellen, z. b. innerhalb von Rohrleitungssystemen chemischer Werke, Raffinerien usw. Sehr vorteilhaft ist beim Erfindungsgegenstand auch die Möglichkeit einer Ausführung mit selbsttätiger Überwachungs- und Kontrolleinrichtung. Hierbei werden die Sensoren einschließlich Zuleitung und Meldeeinrichtung permanent auf einwandfreie Funktion kontrolliert. Die Überwachung ist unabhängig vom Schaltzustand, und im Falle einer Störung wie Kurzschluß, Leitungsbruch etc. erfolgt unverzüglich eine Fehlermeldung am Signalgeber. Die Anzeige des gestörten Signalkreises reduziert eine Fehlersuche bzw. Ausfallzeit der Sonde auf ein Minimum.

Infolge der schnellen und sicheren Funktion der Leckageanzeige sowie der permanenten Funktionskontrolle kann im Falle einer Leckmeldung eine Vielzahl von Eingriffsmöglichkeiten über ein vorgegebenes Alarmprogramm automatisch ausgelöst werden. Damit können auch ohne menschliches Eingreifen größere Schäden oder Katastrophen vermieden werden.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß als Referenzfläche eine abgedunkelte Fläche verwendet wird. Hierdurch bleibt diese im unbenetzten Zustand nichtreflektierender, wogegen bei Benetzung durch ein Leckagemedium ein positiver Reflexionszustand eintritt, der verzögerungslos zur Anzeige führt. In diesem Falle wird von einer sogenannten Dunkelschaltung Gebrauch gemacht. Umgekehrt kann beispielsweise zur Anzeige eines dampfförmigen Leckagemdiums mittels einer Hellschaltung eine zunächst reflekierende, helle Referenzfläche verwendet werden, welche dann im Leckagefall, z. B. durch kondensierendes Leckagemedium eingetrübt, in ihrer Reflexionsfähigkeit vermindert wird. Auch diese Zustandsänderung führt zur spontanen Anzeige.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß die Referenzfläche während der Überwachung von äußeren, den Reflexionszustand verändernden Einflüssen, abgeschirmt wird. Weiterhin ist vorgesehen, daß die Tastweite, d. h. der Abstand zwischen der Glasfiberoptik des Reflexlichttasters und der abzutastenden Referenzfläche, konstant gehalten wird.

Eine Einrichtung zur Anzeige eines ungewöhnlichen Betriebszustandes einer Maschine oder Betriebseinrichtung, insbesondere Leckanzeige bzw. Leckmelder, mit einem die Entstehung eines Lecks durch Aufspüren einer Leckage signalisierenden Sensor, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - ein mit Mitteln zur druck- und mediendichten Aufnahme des Sensors hohlzylinderförmig ausgebildetes Gehäuse,
• - eine dem offenen Endbereich des Gehäuses zugeordnete Referenzfläche,
• - eine in das Gehäuse druck- und mediendicht eingesetzte Glasfiberoptik eines außerhalb des Gehäuses angeordneten Reflexlichttasters,
• - eine das Gehäuse und die Glasfiberoptik gegen die Referenzfläche abschließenden Glaskörper,
• - eine am ausgangsseitigen Gehäusebereich zwischen der Glasfiberoptik und der Referenzfläche als Abstandshalter sowie als Abschirmelement ausgebildete, gegen die Referenzfläche zu offene Meßkammer mit wenigstens einer endständigen seitlichen Ausnehmung.

Bei der Einrichtung zur Leckageanzeige ergibt sich als Vorteil eine hermetische Trennung der Fiberoptik vom Produkt durch deren Anordnung im Schutz des Gehäuses und des als Abschluß angeordneten Glaskörpers. Durch die Meßkammer wird ein unveränderlicher Abstand zwischen der Glasfiberoptik und der Referenzfläche erreicht, welcher Abstand exakt mit der Tastweite der Glasfiberoptik übereinstimmt. Durch Anlage der Meßkammer an der Referenzfläche wird diese von störenden äußeren Einflüssen abgeschirmt. Die Referenzfläche kann entweder ein ausgewähltes Flächenteil an dem zu überwachenden Objekt, oder ein beliebiges und zum Objekt in besonderer Anordnung angebrachtes Flächenelement sein. Weiterhin bewirkt die gegen die Referenzfläche zu offene, dagegen in ihrem oberen Bereich geschlossene Meßkammer, daß Leckageflüssigkeit nicht bis zum Glaskörper ansteigen kann. Hierbei wirkt die Meßkammer nach Art einer Taucherglocke und verhindert durch ein eingeschlossenes Luftpolster das Höhersteigen der Flüssigkeit. Dadurch bleibt auch bei stärkerem Austritt von Leckageflüssigkeit, z. B. im Falle eines Gehäuse- oder Rohrbruches, die Reflexionsfähigkeit der Referenzfläche und damit die Anzeigefunktion erhalten. Beispielsweise können Chemiepumpen mit Kunststoffauskleidung im unteren Gehäusebereich durch eine einfache Bohrung von 1-2,5 mm mit der erfindungsgemäßen Einrichtung versehen werden.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß der Sensor zwei Glasfiberoptikeinsätze aufweist, von denen der eine als Sender und der andere als Empfänger ausgebildet ist.

Die Variante des Leckmelders mit zwei getrennten Lichtleitern ergibt eine besonders funktionssichere Einrichtung. Das Sendeteil enthält eine Leuchtdiode, die über eine Verstärkerstufe von einem Taktgenerator angesteuert wird, dessen Signale gleichzeitig den Vorverstärker des Empfängers takten. Die Signale des Empfangstransistors werden nur dann verstärkt, wenn gleichzeitig auch ein Sendeimpuls abgestrahlt wird. Mögliche Fremdlichtstörungen während der Impulspausen werden durch diese Technik, Torschaltung genannt, wirkungsvoll unterdrückt. Dem getakteten Vorverstärker folgen die Auswerte- und die Endstufe.

Das Empfangsteil besitzt ein Potentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit. Dies kann erforderlich sein, um Schwellwerte oder vergleichsweise geringe Veränderungen des Reflexionszustandes der Referenzfläche sicher zu erfassen. Der Lichtsender arbeitet üblicherweise im infrarotnahen Bereich mit einer Wellenlänge von 880 nm. Vorteilhaft ist auch eine Ausführung mit sichtbarem Rotlicht der Wellenlänge 660 nm. Das Rotlicht hat sich, wie Versuche gezeigt haben, bei der Leckanzeige besonders bewährt. Als Lichtquelle dienen Sendedioden, deren Arbeitsbereich so gewählt ist, daß hohe Sendeintensität und lange Lebensdauer gewährleitet sind. Optoelektronische Reflexlichttaster besitzen zudem Reserven, damit auch unter extremen Bedingungen z. B. durch Verschmutzung etc. eine einwandfreie Funktion gewährleitet ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die beiden Glasfiberoptikeinsätze im Gehäuse in parallelen Bohrungen eines Sockels, vorzugsweise im normalen Temperaturbereich aus Kunststoff, andernfalls aus Metall angeordnet und gegen die Meßkammer zu mit je einem Glaskörper druck- und mediendicht abgeschlossen sind.

Nach einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß ein Glaskörper als Hohlzylinder mit geschlossenem Boden ausgebildet sein kann. Es kann aber auch von der Maßnahme Gebrauch gemacht sein, daß Glaskörper, insbesondere bei einer Ausführung des Sensors mit zwei Optiken, zylinderförmig mit plangeschliffenen Stirnflächen ausgebildet sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Leckanzeiger im Längsschnitt,

Fig. 2 den Leckanzeiger gemäß Fig. 1, angeordnet an einer Winkelverschraubung, ebenfalls im Längsschnitt,

Fig. 3 eine andere Ausführung der Leckanzeige­ einrichtung mit zwei, als Sender und Empfänger ausgebildeten Glasfiberoptiken, ebenfalls im Längsschnitt,

Fig. 4 in Ansicht bzw. teilweise im Schnitt eine beispielhafte Anordnung der Leckanzeige­ einrichtung, angeordnet an einem Rohrleitungsflansch.

Die in der Fig. 1 gezeigte Leckanzeigeeinrichtung weist eine Glasfiberoptik (1) auf. Diese steht über eine Glasfiberleitung (22) mit einem lediglich schematisch angedeuteten Fiberoptik-Schaltverstärker (21) mit Leuchtdiode und Verstärkerstufe sowie einem Taktgenerator in Verbindung. Der Sensor (2) ist von einem Gehäuse (4) druck- und mediendicht umgeben. Darin befindet sich die Fiberoptik (1), welche ihrerseits in einen Glaszylinder (3) mit geschlossenem Boden (19) eingebettet ist. Die Glasfiberleitung (22) ist an ihrer Einführung in das Gehäuse (4) gegenüber diesem mit einem Gummischnurring (8) und einer Mutter (9) nach Art einer Stopfbuchse abgedichtet. Der Glaszylinder (3) ist an beiden Stirnseiten mit elastischen Dichtungsringen (5) und (6) gegenüber dem Gehäuse (4) ebenfalls druck- und mediendicht abgedichtet und wird von der Befestigungsschraube (7) im Gehäuse gehalten. Die Befestigungsschraube (7) weist eine zentale Bohrung zum Durchtritt der Lichtstrahlen auf. Am unteren Bereich (13) ist das Gehäuse (4) mit einer Meßkammer (12) ausgestattet, die wenigstens eine endständige seitliche Ausnehmung (11) für den Eintritt des Leckagemediums aufweist. Das Ende der Meßkammer (12) mit der oder den Ausnehmungen (11) liegt an der Referenzfläche (10) an. Die Meßkammer (12) wirkt somit als Abstandhalter, sie hält einen unveränderlichen Abstand (A) zwischen der Glasfiberoptik (1) und der Referenzfläche (10) ein. Dieser Abstand (A) entspricht exakt der Tastweite des Reflexlichttasters.

In der Fig. 2 ist ein Einbaubeispiel des Sensors bzw. Leckmelders (2) mit einer Winkelverschraubung (23) gezeigt. Innerhalb dieser Winkelverschraubung (23) befindet sich die Referenzfläche (10). Der Melder (2) entspricht im übrigen der Ausführung nach Fig. 1. Entsprechende Teile derselben sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 3 zeigt einen Leckmelder (2) mit zwei Glasfiberoptikeinsätzen (1a, 1b). Von diesen ist der eine als Sender (14) und der andere als Empfänger (15) ausgebildet. Die beiden Glasfiberoptikeinsätze (1a, 1b) sind im Gehäuse (4) in parallelen Bohrungen (16, 17) eines Sockels (18), vorzugsweise aus Kunststoff, angeordnet und gegen die Meßkammer (12) mit je einem Glaskörper (3a, 3b) druck- und mediendicht abgeschlossen, wobei die Glaskörper (3a, 3b) zweckmäßigerweise mit plangeschliffenen Stirnflächen (20) ausgebildet sind. Die Anschlußleitungen (22a, 22b) sind wiederum mit einer nicht dargestellten Verstärkerstufe verbunden. Im übrigen sind gleiche oder ähnliche Funktionselemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet.

In der Fig. 4 ist ein Anwendungsbeispiel rein schematisch gezeigt. Es handelt sich um die Leckageüberwachung einer Rohrleitung an einer Flanschverbindung (24). Es könnte sich hierbei um eine wichtige Rohrleitung in einer Anlage wie Kernkraft­ oder Chemiewerk bzw. Raffinerie handeln. Bei dieser Flanschverbindung soll eine Leckage unter allen Umständen schnellstens erkannt und danach sofort repariert werden. Zu diesem Zweck ist der Leckmelder nach der Erfindung entsprechend eingesetzt, und die Flanschverbindung (24) mit einem Gehäuse (25) umschlossen. Unterhalb der Flanschverbindung (24) ist der Boden des Gehäuses (25) abgeschrägt und weist an dessen Ende eine Referenzfläche (10) auf. Es wird davon ausgegangen, daß Leckageflüssigkeit (26) im Störfalle etwa mittig vom Flansch (24) heruntertropft und die Referenzfläche (10) benetzt, wobei innerhalb der Meßkammer (12) im Bereich der Referenzfläche (10) vorteilhaft eine Meniskusbildung (27) erfolgt, die von großem Einfluß auf die Anspruchsempfindlichkeit des Sensors ist. Der Melder (2) ist mit der Meßkammer (12) senkrecht zur Referenzfläche (10) angeordnet. Er ist über die Glasfiberleitung (22) mit dem Sendeteil und der Lichtquelle (21) verbunden. Die Umkleidung des Überwachungsortes mit einem Gehäuse (25) ist erforderlich, um störende äußere Einflüsse fernzuhalten. Der Fiberoptik- Schaltverstärker (21) ist zweckmäßigerweise außerhalb des Gehäuses (25) angeordnet und ist deshalb leicht zugänglich und keinen thermischen Belastungen ausgesetzt. Im übrigen handelt es sich nur um einen rein schematischen, beispielhaft ausgesuchten Anwendungsfall, der von Fall zu Fall verschieden sein kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Anzeige eines ungewöhnlichen Betriebszustandes einer Maschine oder Betriebseinrichtung, insbesondere Leckanzeige, unter Verwendung eines Sensors zum Aufspüren und Signalisieren einer Leckage, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufspüren einer Leckage nach Maßgabe der einerseits im unbenetzten Zustand und andererseits im benetzten Zustand infolge einer Leckage sich sprunghaft ändernden Lichtreflexion einer Referenzfläche unter Verwendung eines die Referenzfläche abtastenden und deren unterschiedliche Reflexionszustände erfassenden und auswertenden optoelektronischen Sensors vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als optoelektronischer Sensor ein Reflexlichttaster mit einer Glasfiberoptik verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzfläche eine abgedunkelte Fläche verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche während der Überwachung von äußeren, den Reflexionszustand verändernden Einflüssen, abgeschirmt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastweite, d. h. der Abstand zwischen der Glasfiberoptik des Reflexlichttasters und der abzutastenden Referenzfläche konstant gehalten wird.

6. Einrichtung zur Anzeige eines ungewöhnlichen Betriebszustandes einer Maschine oder Betriebseinrichtung, insbesondere Leckanzeige bzw. Leckmelder, mit einem die Entstehung eines Lecks durch Aufspüren einer Leckage signalisierenden Sensor, zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - ein mit Mitteln zur druck- und mediendichten Aufnahme des Sensors hohlzylinderförmig ausgebildetes Gehäuse (4),
• - eine dem offenen Endbereich (13) des Gehäuses (4) zugeordnete Referenzfläche (10),
• - eine in das Gehäuse (4) druck- und mediendicht eingesetzte Glasfiberoptik (1) eines außerhalb des Gehäuses (4) angeordneten Reflexlichttasters (2),
• - einen das Gehäuse (4) und die Glasfiberoptik (1) gegen die Referenzfläche (10) abschließenden Glaskörper (3),
• - eine am ausgangsseitigen Gehäusebereich zwischen der Glasfiberoptik (1) und der Referenzfläche (10) als Abstandshalter sowie als Abschirmelement ausgebildete, gegen die Referenzfläche (10) zu offene Meßkammer (12) mit wenigstens einer endständigen seitlichen Ausnehmung (11).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnt, daß der Sensor zwei Glasfiberoptikeinsätze (1a, 1b) aufweist, von denen der eine als Sender (14) und der andere als Empfänger (15) ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glasfiberoptikeinsätze (1a, 1b) im Gehäuse (4) in parallelen Bohrungen (16, 17) eines Sockels (18), vorzugsweise aus Kunststoff, angeordnet und gegen die Meßkammer (12) mit je einem Glaskörper (3a, 3b) druck- und mediendicht abgeschlossen sind.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper (3) als Hohlzylinder mit geschlossenem Boden (19) ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskörper (3a, 3b) zylinderförmig mit plangeschliffenen Stirnflächen (20) ausgebildet sind.