DE20002781U1

DE20002781U1 - Einrichtung zur Überwachung und Anzeige der Einhaltung einer Betriebsbedingung

Info

Publication number: DE20002781U1
Application number: DE20002781U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2010-02-17
Also published as: WO2001061362A1

Description

Einrichtung zur Überwachung und Anzeige der Einhaltung einer Betriebsbedingung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung und Anzeige der Einhaltung einer Betriebsbedingung eines technischen Geräts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für Prozessgeräte in automatisierungstechnischen Anlagen, beispielsweise Stellungsregler oder Messumformer für Druck, Temperatur oder Durchfluss, sind üblicherweise Betriebsbedingungen vorgeschrieben, die im speziellen Anwendungsfall eingehalten werden sollen, um einen sicheren Betrieb des Prozessgeräts zu gewährleisten. Als Betriebsbedingung kann ein zulässiger Bereich für eine Betriebskenngröße, beispielsweise ein Temperaturbereich von -20 bis +80 ⁰C für die Betriebstemperatur, vorgeschrieben werden. Als weitere mögliche Betriebskenngrößen seien Temperaturdifferenz, Druck, Differenzdruck, Spannung, Spannungsdifferenz, Beschleunigung oder Stoßbelastung genannt. Bei Anwendungsfällen, wie z.B. in einer Abgasklappensteuerung großer Dieselgeneratoren, in welcher ein zu steuernder Mediendurchfluss nicht mit konstanter Fließgeschwindigkeit in einer Rohrleitung fließt, sondern in sogenannten Abgasscheiben auf das Stellglied wirkt, entstehen starke mechanische Erschütterungen, die sich bis zum Stellungsregler fortpflanzen. Dabei können an diesem Beschleunigungen auftreten, die den zulässigen Bereich der Beschleunigung überschreiten und zur Beschädigung oder Zerstörung des Prozessgeräts führen können. Durch Resonanzeffekte können diese Beschleunigungen zusätzlich verstärkt werden, wenn der Stellungsregler durch schwingungsfähige Befestigungsmittel, beispielsweise Befestigungswinkel, am Stellantrieb gehalten wird. Nach einem Geräteausfall ist dessen Ursache nur schwer feststellbar. Eine Lösung könnte in einer nachträglichen, aufwendigen, messtechnischen Untersuchung oder in einer subjektiven Beurteilung der auftretenden

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Schwingungen vor Ort gesehen werden. Diese Untersuchung hätte jedoch den Nachteil, dass in der Vergangenheit aufgetretene Spitzenwerte, welche evtl. die Zerstörung des Geräts herbeigeführt haben, nicht mehr nachgewiesen werden können. Zudem sind derartige Messungen sehr zeitaufwendig und können insbesondere im Falle unregelmäßiger oder vereinzelt auftretender Grenzwertüberschreitungen zu einer falschen Fehlerdiagnose führen.

Aus der US-PS 5 600 576 ist bereits eine Einrichtung zur Überwachung und Anzeige der Einhaltung einer Betriebsbedingung für den Einsatz in verschiedenen elektronischen und elektromechanischen Systemen bekannt. Bei der bekannten Einrichtung werden zu den aktuellen Umwelteinflüssen gemessene Daten mit einem Zeitstempel versehen und abgespeichert. Diese Einrichtung ist jedoch als autonomes elektronisches Gerät realisiert und daher mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Zudem ist ein besonderer Wake-Up-Schaltkreis erforderlich, um das elektronische Gerät bei Auftreten einer Stoßbeanspruchung 0 temporär mit Betriebsenergie zu versorgen, wenn das überwachte technische Gerät selbst abgeschaltet ist. Diese Maßnahme ist notwendig, da eine Stoßbeanspruchung auch bei abgeschaltetem technischen Gerät zu dessen Zerstörung führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Überwachung und Anzeige der Einhaltung einer Betriebsbedingung eines technischen Geräts zu schaffen, mit welcher in einfacher Weise und ohne großen Aufwand ein Nachweis einer Verletzung einer Betriebsbedingung möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein objektiver Nachweis der in der Vergangenheit erfolgten Verletzung einer Betriebs-

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bedingung erbracht werden kann. Ein Beispiel für eine Einrichtung zur Überwachung auf Einhalten eines zulässigen Temperaturbereichs ist eine Anordnung mit transparenten Gefäßen, in denen verschiedene pulverförmige Stoffe enthalten sind, die bei Überschreiten jeweils eines Temperaturgrenzwerts schmelzen und bei anschließendem Absinken der Temperatur in kristalline Form übergehen. Mit einer derartigen Anordnung ist durch visuelle Überprüfung des Stoffzustands leicht erkennbar, ob die durch die Stoffzusammensetzung vorgegebenen Grenzwerte der Temperatur während des Betriebs eines damit ausgestatteten technischen Geräts überschritten wurden.

Ein leichtes Überprüfen auf Einhalten einer maximal zulässigen Beschleunigungs- oder Stoßbeanspruchung ist möglich, wenn das Element, das bei Überschreiten eines Grenzwerts einen Zustand dauerhaft verändert, einen Körper vorbestimmter Masse aufweist, dessen Massenträgheit an seiner Aufhängung bei Überschreiten des Grenzwerts der Beschleunigung als Betriebskenngröße einen Bruch oder eine plastische Verformung bewirkt. Eine Zustandsveränderung durch Bruch ist in einfacher Weise durch eine visuelle Überprüfung erfassbar. Zusätzlich oder alternativ kann eine automatische Erfassung der Zustandsänderung erfolgen, wenn gleichzeitig mit dem Bruch der Aufhängung elektrische Leitungen unterbrochen werden, die mit digitalen Eingängen einer Auswerteeinheit verbunden sind, oder wenn über die Leitungen Widerstände nach Art einer Widerstandscodierung miteinander verschaltet sind und der Wert des Widerstands zur Erfassung eines Bruchs gemessen und ausgewertet wird. Bei einer Dehnung als plastische Verformung ist eine einfache Erfassung der Zustandsänderung durch auf die Verformungszonen aufgebrachte Dehnungsmessstreifen und eine geeignete Auswerteeinheit möglich.

Eine Anordnung des Elements, das seinen erfassbaren Zustand dauerhaft verändert, in einem austauschbaren Modul hat den Vorteil, dass ein derartiges Modul zur Auswertung leicht aus

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dem technischen Gerät entnommen und bei einer dauerhaften Zustandsänderung durch ein neues Modul ersetzt werden kann.

Die Überwachungsfunktion ist in einfacher Weise erweiterbar, indem mehrere Elemente für jeweils verschiedene Grenzwerte . und/oder für jeweils verschiedene Wirkungsrichtungen der Beschleunigung vorgesehen werden.

Vorteilhaft ist zudem eine Auswerteeinheit zur Erfassung des Zustands des Elements, durch welche ein Meldesignal bei Überschreiten eines Grenzwerts erzeugbar ist. Bei Prozessgeräten in einer automatisierungstechnischen Anlage, die beispielsweise über ein Bussystem mit einem Leitsystem in einer Warte verbunden sind, kann mittels einer derartigen Auswerteeinheit automatisch eine Ferndiagnose durchgeführt werden. Aufgrund eines Meldesignals, das ein Verletzen einer Betriebsbedingung anzeigt, können im Fehlerfall geeignete Maßnahmen zur Fehlerbehandlung ergriffen werden.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Vorteile und Ausgestaltungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Regelventil, die Figuren 2 bis 5 Ausführungsbeispiele für Elemente zur Überwachung einer Beschleunigung und Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer dreidimensionalen Anordnung von Elementen nach Figur 2.

In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines Regelventils mit einer Einrichtung 14 zur Überwachung und Anzeige der Einhaltung einer Betriebsbedingung dargestellt. In eine Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten prozesstechnischen Anlage ist ein Ventil 2 eingebaut, das durch einen entsprechenden Hub eines mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörpers 4 den Durchfluss eines Mediums 5 steuert. Der Hub wird durch einen pneumatischen Antrieb 6 erzeugt und mittels einer Ventilstange 7 auf den Schließkörper 4 übertra-

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gen. Der Antrieb 6 ist über ein Joch 8 mit dem Gehäuse des Ventils 2 verbunden. An dem Joch 8 ist ein Stellungsregler 9 angebracht, der eingangsseitig über ein an der Ventilstange angreifendes Verbindungsstück 10 den Hub erfasst, diesen mit einem über eine Datenschnittstelle 11 von einem Feldbus zuge-, führten Sollwert vergleicht und ausgangsseitig den pneumatischen Antrieb 6 im Sinne einer Ausregelung der Regeldifferenz steuert. Es ist ersichtlich, dass sich Schwingungen der Rohrleitung 1 über das Ventil 2 und das Joch 8 auf den Stellungsregler 9 übertragen und dort zu einer Beschleunigungsoder Stoßbeanspruchung führen. Zudem können Druckstöße des Mediums 5 im Ventil 2 ebenfalls Schwingungen verursachen. Ein Modul 15 enthält Elemente mit jeweils einem Körper vorbestimmter Masse, dessen Massenträgheit bei Überschreiten eines Grenzwerts der Beschleunigung einen Bruch oder eine plastische Verformung der Aufhängung des Körpers bewirkt. Der Zustand dieser Elemente wird durch eine Auswerteeinheit, die aus einer Recheneinheit 16 mit einem Programmspeicher 17 besteht, automatisch erfasst. Hat die Beschleunigung einen zulässigen Grenzwert überschritten, so wird dies durch Ausgeben eines Meldetelegramms über die Datenschnittstelle einer übergeordneten Steuerung der prozesstechnischen Anlage angezeigt.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Elementen 21 ... 26, die in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind und ihre größte Empfindlichkeit auf Beschleunigungen in einer senkrecht zur Oberseite der Elemente 21 ... 26 verlaufenden Richtung aufweisen. In einem technischen Gerät, beispielsweise in dem Stellungsregler 9 (Figur 1), werden die Elemente ... 26 durch Einklemmen eines hinteren Randbereichs 27 gehalten, so dass die Elemente 21 ... 26 jeweils nach Art eines einseitig eingespannten Biegebalkens aufgehängt sind. Bei gleicher Dicke und Breite sowie gleichem Material der Elemente 21 ... 26 wird bei einer überhöhten Beschleunigung das Element 2 6 als erstes an seiner Aufhängung am Randbereich 27 brechen und somit eine dauerhafte Änderung seines Zustands

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erfahren. Bei einer weiter erhöhten Beschleunigung werden auch die Elemente 25, 24 usw. brechen. An dem visuell leicht erfassbaren Zustand der Elemente kann daher in einfacher Weise abgelesen werden, welcher maximalen Beschleunigung oder Stoßbeanspruchung ein technisches Gerät, in welchem die beschriebene Einrichtung eingebaut ist, ausgesetzt wurde. Eine automatische Erfassung des Zustands der Elemente 21 ... 26 kann beispielsweise durch elektrische Leiterbahnen, die auf der Oberseite über die Aufhängungen der Elemente 21 ... 26 hinweg führen, erfolgen. Bricht eines der Elemente, so ist auch die jeweilige elektrische Leiterbahn unterbrochen, deren Zustand ohne weiteres durch entsprechende Verschaltung mit einem Digitaleingang einer Auswerteeinheit erfasst werden kann. Werden die Elemente 21 ... 26 sowie der Randbereich 27 aus einem Fensterglas der Dicke 0,5 mm, der Bruchspannung 50 N/mm² und der Dichte 2,5 kg/dm³ gefertigt, wobei die Breite der Elemente 2 mm und die Breite ihrer Aufhängung 1,5 mm beträgt, so ist bei einer Länge von 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm oder 3 mm ein Bruch bei einer Beschleunigung von 25,5 g, 11,33 g, 6,38 g, 4,08 g bzw. 2,83 g zu erwarten, wobei g jeweils der Erdbeschleunigung entspricht. Es ist ersichtlich, dass sich die Beschleunigungsbereiche und die Stufung der messbaren Beschleunigungen durch die Geometrie individuell einstellen lassen.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem Elemente 31 ... 36 an einem hinteren Randbereich 37 ebenfalls nach Art eines einseitig eingespannten Biegebalkens aufgehängt sind, wobei sich die Elemente 31 ... 36 bezüglich ihrer Masse, die beispielsweise durch eine zylinderförmige, aufgeklebte Metallscheibe realisiert sein kann, unterscheiden. Hier wird durch die verschiedenen Massen eine abgestufte Empfindlichkeit der Elemente 31 ... 36 auf die einwirkende Beschleunigung erreicht. Die Aufhängung und Befestigung in einem technischen Gerät kann analog zu dem bereits anhand Figur 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgen.

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In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 sind Elemente 41 ... 46 dargestellt, die gleiche geometrische Abmessungen besitzen und aus gleichem Material bestehen. Sie unterscheiden sich lediglich bezüglich der Breite ihrer Aufhängung an einem hinteren Randbereich 47 und weisen somit ebenfalls eine abgestufte Empfindlichkeit auf einwirkende Beschleunigungen auf. Elemente 41 ... 46 aus Fensterglas mit den bereits oben angegebenen Eigenschaften Bruchspannung, Dichte und Dicke sowie mit einer einheitlichen Länge von 1,5 mm und einer Breite von 3,5 mm werden bei einer Breite der Aufhängung von 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm oder 3 mm bei einer Beschleunigung von 4,32 g, 6,48 g, 8,63 g, 10,79 g bzw. 12,95 g brechen.

Eine weitere Variante, mit welcher eine abgestufte Empfindlichkeit von Elementen 51 ... 55 realisiert werden kann,

zeigt Figur 5. Hier unterscheiden sich die Elemente 51 ... in Bezug auf ihre Breite, während die übrigen geometrischen Abmessungen, beispielsweise die Breite ihrer Aufhängung an einem hinteren Randbereich 57, gleich sind. 20

Selbstverständlich können verschiedene Abstufungen der Empfindlichkeiten der Elemente in Bezug auf die einwirkende Beschleunigung abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen ebenso durch Variation mehrerer geometrischer Parameter und/oder Variation der verwendeten Materialien und/oder Variation der Art der Aufhängung erreicht werden.

Figur 6 zeigt ein Modul mit drei Gruppen 61, 62 und 63 von beschleunigungsempfindlichen Elementen, die in Klemmvorrichtungen 64, 65 bzw. 66 eingespannt sind. Durch ihre rechtwinklig zueinander gewählte Anordnung innerhalb des Moduls besitzen die Gruppen 61, 62 und 63 ihre größte Empfindlichkeit auf Beschleunigungen in jeweils orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen. Das Modulgehäuse ist mit drei Bohrungen 67, 68 und 69 für Befestigungsschrauben versehen, mit welchen es an den Innenwänden des Gehäuses eines technischen Geräts angeschraubt werden kann.

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In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls mit drei offenen Seiten dargestellt. Alternativ hierzu können diese Seiten durch eine transparente Abdeckung verschlossen werden, damit der Zustand der Elemente der Gruppen 61, 62 und 63 visuell ohne Öffnen des Moduls erfassbar ist. Selbstverständlich ist auch eine Erfassung des Zustands mittels in geeigneter Weise angeordneter optischer Sensoren oder Ultraschallwandler möglich. Eine vergleichsweise einfache Erfassung des Zustands ergibt sich jedoch, wenn auf der Oberseite der EIemente der Gruppen 61, 62 und 63 in der bereits oben beschriebenen Weise elektrische Leiterbahnen angebracht werden, die bei Bruch der Aufhängung eines Elements jeweils ebenfalls unterbrochen werden und deren Zustand durch eine Auswerteeinheit automatisch erfasst wird. Bei der gezeigten dreidimensionalen Anordnung ist eine Überwachung und Anzeige einer Überschreitung der zulässigen Beschleunigung nach Betrag und Richtung möglich.

Claims

1. Einrichtung zur Überwachung und Anzeige der Einhaltung einer Betriebsbedingung eines technischen Geräts (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (15, 16, 17) zumindest ein Element (21) besitzt, das bei Überschreiten eines Grenzwerts einer Betriebskenngröße, die auf Einhalten eines zulässigen Bereichs als Betriebsbedingung überwacht wird, aufgrund seiner physikalischen oder chemischen Eigenschaften einen erfassbaren Zustand dauerhaft verändert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (21) einen Körper vorbestimmter Masse aufweist, der an dem technischen Gerät befestigt ist und dessen Massenträgheit an seiner Aufhängung bei Überschreiten eines Grenzwerts der Beschleunigung als Betriebskenngröße einen Bruch oder eine plastische Verformung bewirkt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element in einem austauschbaren Modul angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elemente für jeweils verschiedene Grenzwerte und/oder für jeweils verschiedene Wirkungsrichtungen der Beschleunigung vorhanden sind.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (16, 17) zur Erfassung des Zustands des Elements vorhanden ist, durch welche ein Meldesignal bei Überschreiten des Grenzwerts erzeugbar ist.