WO2009135504A1

WO2009135504A1 - Einrichtung und verfahren zur detektion von ablagerungen

Info

Publication number: WO2009135504A1
Application number: PCT/EP2008/003666
Authority: WO
Inventors: Herbert Schorb
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Ablagerungen (2) auf einer Innenwand eines Behälters oder Rohres (3) in einer technischen Anlage. Durch eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (6) werden in vorbestimmten, ersten Zeiträumen (t_h), so genannten Heizphasen, Heizmittel (5) zum Heizen angesteuert. In dem ersten und/oder einem späteren, zweiten Zeitraum (tm), in welchem die Heizmittel (5) nicht zum Heizen angesteuert sind, wird der Verlauf (30, 31, 41, 42) der Temperatur mit Messmitteln (5) erfasst, eine Kenngröße des Verlaufs bestimmt und diese zur Detektion von Ablagerungen (2) ausgewertet. Vorzugsweise sind die Heiz- und Messmittel (5) durch denselben temperaturabhängigen elektrischen Widerstand realisiert. Dadurch wird ein kompakter Aufbau der Einrichtung ermöglicht, so dass die Einrichtung (1) in technischen Anlagen ähnlich wie Messumformer montierbar ist. Zudem zeichnet sich die Einrichtung durch einen geringen Herstellungsaufwand und gute Zuverlässigkeit der Diagnoseaussage aus.

Description

Beschreibung

Einrichtung und Verfahren zur Detektion von Ablagerungen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Ablagerungen auf einer Innenwand eines Behälters oder Rohres nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

In Verfahrens- oder prozesstechnischen Anlagen tritt häufig das Problem auf, dass sich Beläge oder Ablagerungen, die in englisch auch als Fouling oder Precipitation bezeichnet werden, auf den Innenwänden von Rohren, Behältern, Wärmetauschern oder Reaktoren, in denen mit Feststoffanteilen belade- ne Flüssigkeiten als Prozessmedien transportiert, gelagert oder physikalisch, chemisch oder biologisch modifiziert werden, bilden können. Beispiele für derartige Rohre oder Behälter sind Abwasserleitungen, Rohre zum Flüssigtransport von chemischen Stoffen oder Rohstoffen, zum Beispiel von Erzen oder Erdöl, Behälter von Chemiereaktoren oder Biofermentern sowie deren Zu- und Ableitungsverrohrungen. Auch bei gasförmigen Medien können sich Ablagerungen bilden, zum Beispiel wenn in Verbrennungsprozessen Feststoffpartikel entstehen, die sich in Abgasrohrleitungen ablagern. Derartige Ablagerun- gen sind in prozesstechnischen Anlagen aus verschiedenen

Gründen unerwünscht. Sie können Durchleitungsquerschnitte der Rohre bis hin zur Verstopfung verengen, eine thermische Isolation zwischen Rohrwand und Prozessmedium aufbauen, den Kontakt von an oder in der Wand angeordneten Sensoren mit dem Prozessmedium verschlechtern oder sogar verhindern. Aufgrund dieser häufig unerwünschten Effekte führen Ablagerungen schließlich zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit der davon betroffenen Komponenten der prozesstechnischen Anlage. Um diese negativen Auswirkungen in vertretbaren Grenzen zu halten, ist es bisher erforderlich, an den gefährdeten Anlagenkomponenten zyklisch Inspektionen durch Sichtprüfung, beispielsweise mit Hilfe von Schaugläsern, oder nach einer zumindest teilweisen Demontage durchzuführen. Damit verbundene Anlagenstillstände reduzieren die Laufzeit der prozesstechnischen Anlage und damit deren Produktivität. Zudem sind die häufig vorsorglich durchgeführten Wartungsarbeiten mit einem hohen Aufwand verbunden.

Aus der EP 1 743 133 Bl sind eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers bekannt. Ein Wärmetauscher ist im Prinzip ein Rohr, durch das ein Prozessmedium fließt, welches durch das umge- bende Medium, das als Hilfsmedium bezeichnet wird, gekühlt oder geheizt werden soll. Für die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers sind unter anderem eine möglichst große Wärmeaustauschfläche und ein möglichst großer Wärmeübertragungsfaktor ausschlaggebend. Ein Problem stellen dabei Ablagerungen dar, die den Wärmeübertragungsfaktor zwischen dem Hilfsmedium, das als Kühl- oder Heizmittel dient, und dem Prozessmedium verringern. Das hat zur Folge, dass mehr Kühlmittel bzw. Heizmittel als Hilfsmedium erforderlich ist, dass die Betriebskosten steigen oder dass im Extremfall die gewünschte Tempe- ratur des Prozessmediums nicht mehr durch den Wärmetauscher eingestellt werden kann. Tritt dieser Extremfall ein, kann dadurch ein außerplanmäßiger Stillstand der prozesstechnischen Anlage verursacht werden, in welcher der Wärmetauscher eingesetzt ist. Als eine besonders anschauliche Größe zur Be- urteilung der Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers wird die Austrittstemperatur des Prozessmediums ermittelt und angezeigt, welche sich bei maximalem Fluss des Hilfsmediums einstellen würde. Durch Verwendung dieser Größe wird nämlich dem Bediener besonders gut vor Augen geführt, wie sich durch zu- nehmende Ablagerungen der zur Verfügung stehender Einstellbereich verringert. Nachteilig dabei ist, dass die Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers eine Vielzahl von Sensoren erfordert. Beispielsweise müssen die Eintrittstemperatur und die Austrittstemperatur des Prozessmediums am Wär- metauscher, die Eintrittstemperatur und die Austrittstemperatur des Hilfsmediums und deren Fließgeschwindigkeiten ermittelt werden. Eine Detektion von Ablagerungen auf der Basis des bekannten Verfahrens wäre daher mit einem vergleichweise hohen Aufwand verbunden.

Eine weitere Einrichtung zur Überwachung eines Wärmetauschers auf Ablagerungen ist aus der US-PS 5,992,505 bekannt. Zwischen einer Heizung des Wärmetauschers und der Grenzfläche zum Prozessmedium hin ist ein Temperatursensor angeordnet. Zur Beurteilung des thermischen Wärmeübertragungsfaktors wird die Temperatur gemessen und ausgewertet, welche sich bei ein- geschalteter Heizung einstellt. Bei Ablagerungen verschlechtert sich der Wärmeübertragungsfaktor und es wird eine höhere Temperatur mit dem Sensor erfasst. Veränderungen der Temperatur können daher zur Überwachung des Wärmetauschers auf Ablagerungen herangezogen werden. Damit der Temperatursensor nicht unmittelbar die Heizungstemperatur misst, sind dazu voneinander getrennte Komponenten erforderlich. In nachteiliger Weise ist die bekannte Einrichtung speziell an den jeweiligen Wärmetauscher anzupassen und daher nicht oder nur mit vergleichsweise hohem Aufwand an einer existierenden Kompo- nente nachrüstbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen zu schaffen, die sich durch einen geringeren Herstellungsaufwand auszeichnet. Dennoch sollen die Einrichtung sowie das Verfahren zur Detektion von Ablagerungen zuverlässige Diagnoseaussagen ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen, in Anspruch 10 ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Einrichtung, in Anspruch 11 ein Computerprogramm, in Anspruch 12 ein Computerprogrammprodukt und in An- Spruch 13 eine mit dem Computerprogramm versehene Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen beschrieben. Da die Heizvorgänge in Heizphasen einer vorbestimmten Dauer erfolgen, liegt zur Auswertung nicht nur ein Temperaturwert für einen thermisch ausgeglichenen Zustand vor, sondern es kann ein ganzer Temperaturverlauf zur Auswertung herangezogen werden, der für den jeweiligen Ausgleichsvorgang charakteristisch ist. In eine Auswertung zur Detektion von Ablagerungen fließt daher eine große Informationsmenge ein, was sich günstig auf die Zuverlässigkeit der Diagnoseaussage auswirkt. Anhand des Verlaufs der erfassten Temperatur ist es beispiels- weise möglich, einen Temperaturgradienten als Kenngröße für die Dynamik des Verlaufs zu bestimmen und jeweils mit einem vorgegebenen Referenzwert zu vergleichen, der einen zulässigen Maximalwert für die Heizphase bzw. einen zulässigen Minimalwert für die Abkühlphase nach Abschalten der Heizung mar- kiert. Wird der jeweils vorgegebene Referenzwert überschritten bzw. unterschritten, so kann auf eine unzulässig große Ablagerung auf der Innenwand des Behälters oder Rohres geschlossen werden.

Aufgrund der Aufheizung lediglich in vorbestimmten Heizphasen wird in vorteilhafter Weise der Energieverbrauch eines Belagsensors im Vergleich zu einer ständigen Beheizung reduziert. Wird beispielsweise ein Kondensator zur Speicherung der für die einzelnen Heizphasen erforderlichen Energie im Belagsen- sor verwendet, so kann dieser ähnlich einem Messumformer zur Prozessinstrumentierung aufgebaut und über eine Zweidrahtleitung, über welche in einer automatisierungstechnischen Anlage beispielsweise eine Feldbus kommunikation durchgeführt wird, mit der zum Betrieb erforderlichen Energie versorgt werden. Der Energieverbrauch des Belagsensors kann zudem über eine geeignete Wahl der Abstände zwischen den Heizphasen in einem weiten Bereich variiert werden. So ist beispielsweise ein Betrieb des Belagsensors an einer standardisierten 4 bis 20 mA- Schnittstelle möglich.

Aufgrund der vorteilhaften Art der Ausgestaltung der Ansteu- er- und Auswerteeinrichtung können die Heiz- und Messmittel vergleichsweise nahe beieinander angeordnet und thermisch eng miteinander gekoppelt werden. Dies ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau eines Aufnehmers, der Heiz- und Messmittel um- fasst und zur Verwendung in einer Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen geeignet ist. In prozesstechnischen Anlagen können mehrere derart kompakt aufgebaute Einrichtungen zur

Detektion von Ablagerungen an besonders gefährdeten Komponenten der Anlage eingebaut oder vorsorglich an zu überwachenden Rohren oder an empfindlichen Stellen von Wärmetauschern oder Reaktoren verteilt angebracht werden. Der Anbau an Rohre oder Behälter kann in ähnlicher Weise wie bei herkömmlichen Temperatur oder Druckmessumformern erfolgen. Dabei kommt die Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen, die auch als Belagsensor bezeichnet wird, vorzugsweise in direkten Kontakt mit dem Prozessmedium, so dass sich im Betrieb auf dem Belagsen- sor in ähnlicher Weise wie in seiner direkten Montageumgebung ein Belag bildet. Es wird somit ein besonders kompakter Belagsensor erhalten, bei welchem Wärmeerzeugung und Messung in einem Aufnehmer vereint sind und mittels spezieller Ansteuerung und Auswertung auf der Basis thermischer Effekte ein Be- lag detektiert oder sogar quantitativ bestimmt werden kann.

Dadurch ist eine sehr kompakte Bauform möglich, die die eines konventionellen Temperaturmessumformers entsprechen kann oder sogar in einen solchen unter Nutzung des ohnehin vorhandenen temperaturempfindlichen elektrischen Widerstands integriert werden kann.

In vorteilhafter Weise kann ein besonders geringer Herstellungsaufwand erreicht werden, wenn die Heiz- und Messmittel durch denselben temperaturabhängigen elektrischen Widerstand realisiert sind. In der Heizphase wird ein vergleichsweise starker Strom an den elektrischen Widerstand angelegt, der primär seiner Aufheizung dient, gleichzeitig aber auch die Messung seiner Temperatur ermöglicht. In einer vorzugsweise an die Heizphase anschließenden, zweiten Phase wird der elektrische Widerstand mit einer so niedrigen Stromstärke betrieben, dass nur eine sehr geringe Wärmeleistung entsteht. Die zweite Phase dient hauptsächlich der Messung der Temperatur, eine Aufheizung des elektrischen Widerstands findet nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß statt. Aufgrund eines vorhandenen und anwachsenden Belages wird die Innenwand eines Rohres oder Behälters gleichsam wie der darin angebrachte Belagsensor zunehmend thermisch vom Prozessmedium isoliert. Nach dem Abschalten der Heizung klingen Temperaturdifferenzen zwischen dem Aufnehmer und dem Prozessmedium mit zunehmendem Belag langsamer ab und erfasste Temperaturwerte unterscheiden sich immer mehr von denjenigen, die ohne Belag gemessen wurden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass diese Ver- änderungen insbesondere dann festgestellt werden können, wenn der Aufnehmer durch Aufheizen in vorbestimmten Heizphasen seine Temperatur aktiv und gezielt ändert. Aufgrund der pulsierenden Wärmeerzeugung und des sich daraus ergebenden Wärmeabflusses vom Aufnehmer in das Prozessmedium stellen sich somit signifikante Zeitverläufe der erfassten Temperatur ein. Eine Auswertung des Temperaturverlaufs während der Heizphase und/oder während der sich daran anschließenden Abkühlphase, beispielsweise durch Vergleich des Temperaturverlaufs mit der Situation im ursprünglich belagsfreien Zustand, erlaubt be- reits eine qualitative Aussage über das Vorhandensein eines Belags. Sind die Randbedingungen des jeweiligen Einbauorts des Belagsensors, beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessmediums, thermische Eigenschaften des Belags oder Wärmeübertragungsfaktor zur Rohrwand, bekannt und ein komple- xeres Modell der Wärmeableitungsvorgänge vorhanden, ist zudem eine quantitative Aussage zur Belagstärke möglich.

Prinzipiell sind verschiedene Arten zur Ansteuerung des elektrischen Widerstands in der Heizphase denkbar. Geeignete Alternativen sind beispielsweise eine Ansteuerung mit einer konstanten Spannung oder mit einer konstanten elektrischen Leistung, die durch entsprechende Ausgestaltung einer Ansteu- er- und Auswerteeinrichtung erhältlich sind. Die jeweilige Dauer der Heizphase sowie der Messphase und deren zeitliche Lage zueinander können unter Beachtung der mechanischkonstruktiven Merkmale des Aufnehmers mit dem elektrischen Widerstand und gegebenenfalls des jeweiligen Einbauplatzes vorbestimmt und als Parameter in der Ansteuer- und Auswerte- einrichtung hinterlegt werden. Eventuell kann es vorteilhaft sein, Referenzwerte, die bei der Auswertung der Temperaturverläufe berücksichtigt werden, im Betrieb an die herrschende Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Prozessmediums anzupassen.

Zur weiteren Reduktion der Herstellungskosten kann in vorteilhafter Weise als elektrischer Widerstand ein Widerstand des Typs PT100 oder PT1000 verwendet werden. Derartige Wider- stände sind am Markt weit verbreitet und zu vergleichweise geringen Kosten verfügbar. Dennoch zeichnen sie sich durch eine hohe Genauigkeit bei Temperaturmessungen aus. Selbstverständlich können alternativ andere elektrische Widerstände aus beispielsweise Halbleitermaterialien oder anderen Metal- len verwendet werden, die einen signifikanten Temperaturgradienten größer oder kleiner Null aufweisen. Zum Beispiel sind auch NTC-Widerstände, das heißt Widerstände mit einem negativen Temperaturgradienten, als Alternative einsetzbar. Ein vergleichweise niederohmiger elektrischer Widerstand hat da- bei den Vorteil, dass keine hohe Heizspannung verwendet werden muss, um den elektrischen Widerstand in der Heizphase mit Strom aufzuheizen und ausreichend elektrische Energie in Wärme umzusetzen. Der Temperaturgradient des elektrischen Widerstands ist erforderlich, um aus im Wesentlichen zeitgleichen Messungen von angelegter Spannung und fließendem Strom über die Kennlinie der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands auf die momentane Temperatur schließen zu können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ansteuer- und Aus- Werteeinrichtung der Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen dazu ausgebildet, vor Beginn einer Heizphase die Temperatur zu erfassen und bei der Auswertung zur Kompensation von Temperatureinflüssen zu berücksichtigen, um eine zuverlässigere Aussage über das Vorhandensein von Belägen zu erhalten. Unterschiedliche Temperaturniveaus beim Einsatz des Belagsensors bewirken nämlich aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Messwiderstands eine von der jeweiligen Temperatur des Prozessmediums abhängige Änderung des Spannungssignals. Mit Kenntnis der Kennlinie des elektrischen Widerstands kann dieses Verhalten signaltechnisch in einfacher Weise kompensiert werden. Zudem kann die gemessene Temperatur des Prozessmediums ähnlich der Funktion eines Temperaturmessumformers in ei- ner prozesstechnischen Anlage an eine übergeordnete Leitstation weitergegeben werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann als Kenngröße des erfassten Temperaturverlaufs die sich am Ende der Heizphase einstellende Temperatur verwendet werden. Diese Kenngröße hat den Vorteil, dass sie eine vergleichsweise starke Abhängigkeit vom jeweils vorhandenen Belag auf den Belagsensor zeigt. In Kombination mit der genannten Kenngröße oder alternativ als alleinige Kenngröße kann eine charakte- ristische Größe des Temperaturabfalls als Kenngröße des im zweiten Zeitraum erfassten Temperaturverlaufs herangezogen werden. Diese zeigt ebenfalls eine starke Belagabhängigkeit. Gemäß einer ersten Variante kann dazu der maximale Temperaturgradient bestimmt werden, der sich kurz nach Abschalten der Heizung ergibt. Unterschreitet dieser einen vorgegebenen Minimalwert, so kann auf das Vorhandensein eines Belags auf dem Belagsensor geschlossen werden. In einer zweiten Variante wird anhand des im Wesentlichen exponentiellen Temperaturverlaufs, der sich nach Abschalten der Heizung einstellt, die Zeitkonstante der Exponentialfunktion abgeschätzt. Überschreitet diese einen vorgegebenen Maximalwert, werden Ablagerungen erkannt und eine entsprechende Diagnoseaussage durch den Belagsensor ausgegeben.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung, bei welcher die Heizphasen in zyklischen, vorbestimmten Zeitabständen wiederholt werden. Dies ermöglicht in einer prozesstechnischen Anlage eine ständige Überwachung der Rohre und Behälter auf Bilden von Belägen oder Vorhandensein von Ablagerungen. Zudem kann anhand der in bestimmten Zeitabständen erfassten Veränderungen eine Trendaussage abgeleitet werden, zum Beispiel zur Bestimmung eines Zeitpunkts, wann aufgrund von zunehmenden Ablagerungen eine Überschreitung einer kritischen Belagstärke zu erwarten ist. Davon abhängig können Reinigungszeitpunkte festgelegt werden, um einen möglichst effektiven Betrieb der prozesstechnischen Anlage zu erhalten.

Die Wärmeübertragung von den Heizmitteln in die Wand, in welcher der Belagsensor angeordnet ist, ist besonders gering, wenn der Belagsensor gegenüber dieser thermisch isoliert ist. Dann wird in vorteilhafter Weise die Wärme vorwiegend über die Grenzfläche zum Prozessmedium abgeführt und der Wärmeübertragungsfaktor, der bei der thermischen Detektion von Ablagerungen von Bedeutung ist, wird überwiegend durch den eventuell vorhandenen Belag auf der Grenzfläche beeinflusst. Dies wirkt sich günstig auf die Zuverlässigkeit der Diagnose- aussage aus. Zum selben Zweck wird der Belagsensor vorzugsweise derart ausgebildet, dass er am jeweiligen Einbauplatz in der Wand eines Rohres oder eines Behälters in direkten Kontakt zum Prozessmedium gebracht werden kann. Bei dieser Einbauart ist die Beeinflussung der Diagnoseaussage durch die jeweiligen Einbaugegebenheiten am geringsten. Eine eventuell erforderliche Trennschicht zum Schutz des elektrischen Widerstands vor aggressiven Medien, die beispielsweise aus Keramik oder Kunststoff bestehen kann, kann derart dünn ausgeführt werden, dass sie die Wärmeübertragung zum Prozessmedium hin nicht nennenswert beeinflusst.

Das Verfahren zum Betreiben der Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen ist bevorzugt in Software oder in einer Kombination Soft-/Hardware implementiert, so dass die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcode-Anweisungen zur Implementierung des Verfahrens betrifft. In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführ- baren derartigen Computerprogramm. Ein solches Computerprogramm ist bevorzugt Bestandteil der Auswerteeinrichtung oder wird in einem Speicher der Auswerteeinrichtung vorgehalten oder ist in diesen Speicher ladbar, so dass beim Betrieb der Einrichtung diese die Ablagerungsdetektion nach dem Verfahren automatisch ausführt.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Äusführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen,

Figur 2 einen Verlauf des Stroms in elektrischen Heizmitteln,

Figur 3 einen Verlauf der Spannung in der Heizphase,

Figur 4 einen Verlauf der Spannung außerhalb der Heizphase und

Figur 5 ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Erläuterung des Wärmeflusses.

Figur 1 zeigt eine Einrichtung 1 zur Detektion von Ablagerun- gen 2 auf der Innenwand eines Rohres 3, die entsprechend einem Feldgerät zur Prozessinstrumentierung aufgebaut ist. In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Beispielsweise dienen Messumformer, die auch als Sen- soren bezeichnet werden, zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand oder Dichte eines Prozessmediums 4. Durch Stellglieder, die häufig als Aktuatoren bezeichnet werden, kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend einer vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiel für ein Stellglied seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Eine Einrichtung 1, die auch als Belagsensor bezeichnet werden kann, besteht im Wesentlichen aus einem Aufnehmer 5 und einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 6, die miteinander über Leitungen 7 verbunden sind. Die Ansteuer- und Auswerte- einrichtung 6 besitzt einen Mikroprozessor mit einem Programm zum Betrieb des Belagsensors, das in einem Speicher 8 hinterlegt ist. Zudem weist die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 6 eine Schnittstelle zur Kommunikation mit weiteren, in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten Komponen- ten einer automatisierungstechnischen Anlage über einen Feldbus 9 auf. Der Feldbus 9 dient gleichzeitig zur Versorgung des Belagsensors 1 mit der zu seinem Betrieb erforderlichen Hilfsenergie. Über den Feldbus 9 gibt der Belagsensor 1 Messwerte der Temperatur sowie eine Diagnoseaussage über das Vor- handensein eines Belags 2 im Rohr 3 beispielsweise an eine übergeordnete Leitstation aus, so dass gegebenenfalls geeignete Wartungsmaßnahmen eingeleitet werden können. Ein Gehäuse 10 dient zur Aufnahme und zum Schutz der Komponenten des Belagsensors 1. Eine im Bereich des Prozessanschlusses des Be- lagsensors 1 angeordnete Isolation 11 dient zur thermischen Entkopplung des Aufnehmers 5 von der Wand des Rohres 3, in welcher der Belagsensor 1 angeordnet ist. Der Aufnehmer 5 weist als Heiz- und Messmittel einen PTIOO-Widerstand auf, der in Heizphasen aufgeheizt wird und dessen Widerstand zur Ermittelung der Temperatur gemessen wird. Je nach Vorhandensein oder Dicke von Ablagerungen 2 auf der Innenwand des Rohres 3 verändert sich der zeitliche Verlauf der Temperatur in den Heizphasen und den sich anschließenden Abkühlphasen aufgrund der Wärmekapazität und der Isolationswirkung der AbIa- gerungen 2.

Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Verlaufs eines geeigneten Stromes zur Ansteuerung des PTIOO-Widerstands . Im Zeitdiagramm ist der Verlauf des Stromes I, dessen Stärke auf der Ordinate aufgetragen ist, über der Zeit t, die auf der Abszisse aufgetragen ist, dargestellt. Während einer Messphase im Zeitraum t_m wird ein geringer Messstrom I_n, an den Widerstand angelegt, der lediglich zur Temperaturmessung mit Hilfe des Widerstands dient. Eine Aufheizung des Widerstands findet im Zeitraum t_m nur in vernachlässigbarem Ausmaß statt. In einem sich daran anschließenden Zeitraum t_h, einer Heizphase, wird dagegen ein erheblich höherer Strom I_h in den Widerstand eingespeist, der so vorbestimmt ist, dass eine beträchtliche Aufheizung des Widerstands stattfindet, beispielsweise um eine Temperaturdifferenz von etwa 50° C. An die Heizphase t_h schließt sich erneut eine Messphase an, in welcher wiederum ein Strom der Stromstärke I_m in den elektrischen Widerstand eingespeist wird.

Figur 3 zeigt beispielhafte Verläufe der Spannung U, die am Widerstand während der Heizphase th abgegriffen werden kann und deren Werte auf der Ordinate aufgetragen sind. Mit einer horizontalen durchbrochenen Linie 32 ist im Diagramm gemäß Figur 3 beispielhaft ein Spannungspegel von 10 V markiert. Ein Verlauf 30 kann im Neuzustand einer Rohrleitung, das heißt wenn sich noch kein Belag auf dem Belagsensor gebildet hat, ermittelt werden. Zu jedem Zeitpunkt bleibt der Verlauf 30 der gemessenen Spannung U unterhalb dieser Linie 32. Der Wert der Spannung zu Beginn des Zeitraums t_h entspricht der gemessenen Temperatur des Prozessmediums. Ausgehend von dieser Anfangstemperatur steigt die Temperatur in dem etwa expo- nentiellen Verlauf 30 bis zu einer Endtemperatur an, welcher einem Ausgleichszustand entspricht, in dem die im elektrischen Widerstand erzeugte Wärme vollständig über die Grenzfläche zum Prozessmedium hin abfließt. Der Verlauf 31 wird dagegen mit einem Belagsensor ermittelt, auf welchem sich bereits erhebliche Ablagerungen gebildet haben. Zu Beginn der Heizphase wird wiederum eine Temperatur gemessen, die etwa der Temperatur des Prozessmediums entspricht. Während der Heizphase steigt die Temperatur ebenfalls exponentiell an, erreicht jedoch eine Endtemperatur am Ende des Zeitraums t_h, welche erheblich über der Endtemperatur des Verlaufs 30 liegt. Die höhere Endtemperatur ist durch die Isolationswirkung der Ablagerungen auf dem Belagsensor begründet. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen am Ende der Heizphase t_h können daher bereits mit großer Zuverlässigkeit der Diagnoseaussage Ablagerungen auf dem Belagsensor detektiert werden.

Da die Spannungsverläufe der Messzeiträume t_m bei der Ordina- tenskalierung von Figur 3 kaum sichtbar wären, sind diese zur besseren Anschaulichkeit in Figur 4 gesondert aufgetragen. Wiederum sind die Werte der Spannung U auf der Ordinate, die Zeitwerte auf der Abszisse aufgetragen. Eine durchbrochene Linie 40 markiert in Figur 4 den Spannungswert IV. Da sich Heizphasen t_h mit einer festen Zykluszeit t_m + t_h wiederholen, ergeben sich in den Messphasen t_m jeweils gleiche Verläufe 41 der Spannung bei belagfreiem Belagsensor und Verläufe 42 der Spannung bei bereits erheblichen Ablagerungen. In der Messphase wird die im Sensor gespeicherte Wärmeenergie an das Prozessmedium abgegeben. Bei belagfreiem Sensor erfolgt der Abfall der Temperatur zu Beginn der Messphase t_m entsprechend dem Verlauf 41 deutlich schneller als bei Isolation aufgrund eines Belags entsprechend dem Verlauf 42. Als Kenngröße ist die Zeitkonstante des typischerweise exponentiellen Abfalls charakteristisch. Zudem unterscheiden sich die Verläufe 41 und 42 wesentlich in der Anfangstemperatur zu Beginn der Messphase t_m. Somit können die Anfangstemperatur und/oder die Zeitkonstante des Abkühlvorgangs zusätzliche oder alternative Kenngrößen zur Detektion von Ablagerungen darstellen.

Anhand des elektrischen Ersatzschaltbilds gemäß Figur 5 für das thermische Verhalten des Aufnehmers 5 (Figur 1) soll im Folgenden das Entstehen der Temperaturverläufe physikalisch erläutert werden. In den Heizphasen wird mit Hilfe einer Wär- mequelle Q_w entsprechend der im elektrischen Widerstand verbrauchten elektrischen Leistung Wärme erzeugt. Diese fließt über einen inneren Wärmewiderstand Rj_.w in einen Kondensator Ci_W, der die innere Wärmekapazität des Aufnehmers widerspiegelt, und über einen äußeren Wärmewiderstand R_aw unmittelbar in das Prozessmedium, wenn ein thermischer Widerstand R_B und eine Wärmekapazität C_B des Belags im belagfreien Zustand des Belagsensors fehlen. Der thermische Übergangswiderstand vom Aufnehmer zum Prozessmedium wird also im belaglosen Fall al- lein durch den äußeren Wärmewiderstand R_aw bestimmt. Im Modell erzeugt ein entstehender Belag den zusätzlichen Wärmewiderstand R_B, welcher der Isolationswirkung des Belags entspricht, und die zusätzliche Wärmekapazität C_B des Belags. Durch diese zusätzlichen Komponenten verändern sich die Zeitverläufe der Temperatur, die sich bei pulsierender Erzeugung von Wärme mit Hilfe der Wärmequelle Q_w ergeben.

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen (2) auf einer Innenwand eines Behälters oder Rohres (3) in einer techni- sehen Anlage, mit Heizmitteln (5) an oder in der Wand, mit

Messmitteln (5) zur Erfassung der sich aufgrund eines Heizens mit den Heizmitteln einstellenden Temperatur und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (6) für die Heiz- und Messmittel, durch welche in Abhängigkeit der erfassten Temperatur die Ablagerungen detektierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem vorbestimmten ersten Zeitraum (th) , einer so genannten Heizphase, die Heizmittel zum Heizen anzusteuern, in dem ersten und/oder einem späteren, zweiten Zeitraum (t_m) , in welchem die Heizmittel nicht zum Heizen angesteuert sind, den Verlauf der Temperatur (30, 31, 41, 42) zu erfassen, eine Kenngröße des Verlaufs zu bestimmen und diese zur Detektion von Ablagerungen auszuwerten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- und Messmittel (5) durch denselben temperaturabhängigen elektrischen Widerstand realisiert sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand ein PTlOO- oder ein PT1000-Wider- stand oder ein anderes temperaturabhängiges Widerstandselement ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (6) weiterhin dazu ausgebildet ist, vor Beginn einer Heizphase (t_h) die Temperatur zu erfassen und bei der Auswertung zur Kompensation von Temperatureinflüssen zu berücksichtigen.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße des erfassten Tem- peraturverlaufs die sich am Ende der Heizphase (t_h) einstellende Temperatur ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße des im zweiten

Zeitraum (t_m) erfassten Temperaturverlaufs eine charakteristische Größe des Temperaturabfalls ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (6) weiterhin dazu ausgebildet ist, Heizphasen (t_h) zyklisch in vorbestimmten Zykluszeiten (t_m + t_h) zu wiederholen.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Heiz- und Messmittel (5) in der Wand angeordnet und von dieser thermisch isoliert sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in direktem Kontakt zum Prozessmedium (4) steht.

10. Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur Detektion von Ablagerungen (2) auf einer Innenwand eines Behälters oder Rohres (3) in einer technischen Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Heizmitteln (5) an oder in der Wand, mit Messmitteln (5) zur Erfassung der sich aufgrund eines

Heizens mit den Heizmitteln einstellenden Temperatur und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (6) für die Heiz- und Messmittel, durch welche in Abhängigkeit der erfassten Temperatur die Ablagerungen detektierbar sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Ansteuern der Heizmittel zum Heizen in einem vorbestimmten ersten Zeitraum (t_h) , einer so genannten Heizphase,

- Erfassen des Verlaufs der Temperatur in dem ersten und/oder einem späteren, zweiten Zeitraum (t_m) , in welchem die Heiz- mittel nicht zum Heizen angesteuert sind,

- Bestimmen einer Kenngröße des Verlaufs (30, 31, 41, 42) und

- Auswerten der Kenngröße des Verlaufs zur Detektion von Ablagerungen.

11. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcode-Anweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach Anspruch 10, wenn das Computerprogramm auf einem Compu- ter ausgeführt wird.

12. Computerprogrammprodukt, insbesondere Datenträger oder Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren Computerprogramm gemäß Anspruch 11.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (6) implementierten Computerprogramm gemäß Anspruch 11 oder mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (6), auf welche das Computerprogramm gemäß Anspruch 11 geladen ist.