DE202008011995U1 - Füllstandsmesseinrichtung - Google Patents

Abstract

Messeinrichtung für die Füllstandskontrolle in einem Flüssigkeitsbehälter, welcher im Innern einen explosionsgefährdeten Bereich zur Aufnahme von Flüssigkeiten aufweist,
wobei die Messeinrichtung einen in oder an einer Behälterwandung angeordneten Anschlusskopf aufweist, aus dem sich wenigstens eine langgestreckte Messelektrode erstreckt, die sich in den explosionsgefährdeten Bereich hinein erstreckt und in die Flüssigkeit eintaucht,
wobei die Messelektrode in dem Anschlusskopf elektrisch mit einer Signalleitung gekoppelt ist, die sich außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs erstreckt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kopplung zwischen der Messelektrode und der Signalleitung über eine in dem Anschlusskopf integrierte, als Sicherheitsbarriere wirkende Spannungsbegrenzungsschaltung derart ausgebildet ist, dass in der Signalleitung auftretende Spannungen oberhalb eines vorgegebenen Spannungswertes von der Messelektrode entkoppelt und nach einer Masse abgeleitet werden,
wobei die Spannungsbegrenzungsschaltung im Anschlusskopf außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für die Füllstandskontrolle in Flüssigkeitsbehältern.
• Die Messeinrichtung ist insbesondere zur Füllstandsmessung in Flüssigkeitsbehältern geeignet, die im Inneren einen Bereich zur Aufnahme von Explosions-gefährdenden bzw. Explosion-gefährdeter Flüssigkeiten aufweisen.
• Dazu weist die Messeinrichtung einen in oder an einer Behälterwandung angeordneten Anschlusskopf auf, aus dem sich wenigstens eine langgestreckte Messelektrode erstreckt. Diese ragt in den explosionsgefährdeten Bereich wenigstens teilweise hinein und taucht in die Flüssigkeit ein, falls diese einen gewissen Füllstand übersteigt. Die Messelektrode ist in dem Anschlusskopf elektrisch mit einer Signalleitung gekoppelt, die sich außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches erstreckt.
• Füllstandsmessgeräte bzw. Füllstandssensoranordnungen bestimmen allgemein die Höhe eines Füllgutes in einem Behälter, z. B. einer Flüssigkeit. Messeinrichtungen der eingangs genannten Art ermitteln den Füllstand anhand elektrischer Messungen, insbesondere von Leitfähigkeitsmessungen. Die Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden oder dem Flüssigkeits-Behälter und einer in die Flüssigkeit eintauchenden Elektrode dient als Messwert für die Ermittlung des Füllstandes.
• Die elektrische Messung von Füllständen oder Pegeln in Tanks zur Lagerung von brennbaren und explosionsgefährdeten Flüssigkeiten ist jedoch problematisch. Die Behälterwand eines solchen Tanks bildet eine Grenze oder Zonentrennung zwischen einem explosionsgefährdeten Bereich im Innern des Behälters und einem nicht-explosionsgefährdeten Bereich außerhalb. Dieser Umstand bringt es mit sich, dass diejenigen elektrischen Bauteile, die in den explosionsgefährdeten Bereich ragen oder in diesem angeordnet sind, besonderen sicherheitstechnischen Anforderungen genügen müssen. Außerdem sind die elektrisch mit solchen Bauteilen gekoppelten Elemente besonders zu schützen, insbesondere als eigensichere Bauteile auszubilden.
• Es ist üblich, die Zuleitungen zu einer Messeinrichtung oder Sonde außerhalb des Tanks durch spezielle Fachfirmen vornehmen zu lassen, welche die im Tankinneren angeordnete Elektrode für den Abgriff eines Signals mit einer außerhalb des Tanks verlaufenden eigensicheren Leitung koppeln. Am anderen Ende der sicheren Leitung ist ein spezielles Relais (Ex-Relais) anzuordnen. Auf diese Weise wird vermieden, dass in irgendeiner Weise in die Leitung eingekoppelte Spannungen eine Zündung der Stoffe im Tankinneren verursachen könnten. Die außerhalb des Tanks verlaufenden Leitungen sind regelmäßig besonders zu schützen und zu kennzeichnen und die dort verwendeten Bauteile sind aus dafür zugelassenen Bauteilen auszuwählen.
• Es besteht daher der Bedarf für kostengünstigere und in der Handhabung einfachere elektrische Füllstandsgeräte.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Füllstandsmesseinrichtung bereitzustellen, welche zur Füllstandermittlung in explosionsgefährdeten Tanks geeignet und besonders sicher und günstig in der Handhabung und Montage ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Füllstandsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Messeinrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen der in den explosionsgefährdeten Bereich eintauchenden Messelektrode und der außerhalb des Tanks verlaufenden Signalleitung über eine in dem Anschlusskopf der Messeinrichtung integrierte Spannungsbegrenzungsschaltung erfolgt. Diese Spannungsbegrenzungsschaltung im Anschlusskopf wirkt als Sicherheitsbarriere. In der Signalleitung auftretende Spannungen, die einen vorgegebenen Spannungswert übersteigen, werden von der Messelektrode entkoppelt und nach einer Masse abgeleitet. Die Spannungsbegrenzungsschaltung im Anschlusskopf ist außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet.
• Gemäß der Erfindung ist dadurch keine eigensichere Verlegung einer Leitung durch eine Fachfirma außerhalb des Tanks erforderlich. Die Messeinrichtung sorgt mit ihrer im Anschlusskopf integrierten Sicherheitsbarriere dafür, dass die potentiell gefährlichen Spannungen, die auf irgendeine Weise in die Signalleitung gelangen, nicht in den explosionsgefährdeten Bereich übergreifen können.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik ist dieses Vorgehen besonders vorteilhaft, da die Entschärfung derartiger Spannungen unmittelbar vor dem explosionsgefährdeten Bereich stattfindet und daher, im Gegensatz zum Stand der Technik, eine kürzere Strecke für potentielle Störungen vorhanden ist. Die Ableitung potentiell störender oder gefährlicher Spannungen kann regelmäßig über das Gehäuse des Tanks erfolgen, da dieses ohnehin aus leitfähigem Material besteht und geerdet ist. Falls der Tank nicht aus leitfähigem Material gebildet ist, ist eine entsprechende Erdungsvorrichtung vorzusehen.
• Die Montage der entsprechenden Messeinrichtung ist besonders einfach, da von der Messeinrichtung weg, d. h. nach außerhalb des Tanks ausnahmslos gegenüber der Elektrode geschützte Anschlüsse vorliegen, so dass auch die Messeinrichtung mitsamt dem Tank bereits nach einfachem Einbau der Messeinrichtung als gesichert zu betrachten ist, ohne dass eine gesonderte Verlegung von eigensichereren Leitungen außerhalb des Tanks durch Fachfirmen erforderlich wäre. Ferner ermöglicht die Erfindung eine flexiblere und einfachere Auswertung der Signale, da keine kostspieligen und speziellen Bauteile außerhalb des Tanks mehr verwendet werden müssen.
• In einer Abwandlung der Erfindung weist die Messeinrichtung zwei Messelektroden auf.
• Diese Ausführungsform ist insbesondere dann einzusetzen, wenn der Tank aus einem nicht-leitfähigen Material besteht. Bei dem Einsatz einer Messelektrode kann die Spannung bzw. Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und der Tankwandung zur Bereitstellung eines Messsignals verwendet werden. Ist der Tank jedoch aus einem nicht-leitfähigen Material gebildet, so wird die Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden ermittelt, die sich beide von dem Anschlusskopf in das Tankinnere und, je nach Füllstandshöhe, bis in die Flüssigkeit erstrecken.
• Für jede der Elektroden können separate Spannungsbegrenzungsschaltungen vorgesehen werden, die sich im Anschlusskopf der Einrichtung befinden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Messeinrichtung im Anschlusskopf mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung versehen, die als Z-Barriere ausgebildet ist.
• Derartige Z-Barrieren basieren auf den bekannten Eigenschaften von Zener-Dioden. Diese Dioden zeichnen sich dadurch aus, dass sie in Sperrrichtung oberhalb einer Durchbruchspannung einen stark verringerten Widerstand aufweisen und so außerordentlich gut für die Spannungsbegrenzung geeignet sind. Eine Z-Barriere wird aus mindestens zwei Zener-Dioden gebildet, die zwischen einem Masseanschluss und die Messelektrode geschaltet sind. Übersteigt die Spannung an der Messelektrode einen vorgegebenen Wert, so erfolgt die Ableitung an den Masseanschluss, da die Zener-Diode niederohmig wird. Die Ausbildung derartiger Z-Barrieren ist im Stand der Technik bekannt und wird regelmäßig zur Spannungsbegrenzung im sicherheitsrelevanten Bereich eingesetzt.
• Die erfindungsgemäße Anordnung einer derartigen Begrenzungseinrichtung im Anschlusskopf der Messeinrichtung selbst bringt jedoch die oben genannten Vorteile mit sich, da die Anschlusspunkte am Anschlusskopf für die Außenanschlüsse bereits als gesichert anzusehen sind und keine eigensichere Zu- bzw. Ableitung erforderlich ist. Die Sicherheit der entsprechenden Einrichtungen wird daher erhöht.
• Es ist besonders vorteilhaft, wenn die gesamte Spannungsbegrenzungsschaltung im Anschlusskopf aus geeigneten elektrischen Komponenten gebildet ist und mit einem elektrisch isolierenden Material vergossen ist. Auf diese Weise sind die Schaltung und der sicherheitsrelevante Teil des Anschlusskopfes vor Umwelteinflüssen hinreichend geschützt und auch gegenüber Manipulationen gesichert.
• In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Messeinrichtung zusätzlich zu der Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Funktionalität der Strombegrenzung auf.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• 1 zeigt eine Ausführungsform der Messeinrichtung für die Füllstandskontrolle in einer schematischen Ansicht.
• 2 zeigt eine im Anschlusskopf der Messeinrichtung aus 1 integrierte Spannungsbegrenzungsschaltung.
• Die in 1 gezeigte Messeinrichtung 1 für die Füllstandskontrolle weist einen Anschlusskopf 2 auf, aus dem sich eine Elektrode 3 erstreckt. Die Elektrode 3 ist teilweise mit einem Teflonmaterial 4 beschichtet, so dass nur das untere Ende der Elektrode 3 leitend kontaktierbar ist.
• An dem Messkopf 2 ist ein Gewindeabschnitt 5 angeformt, mit dem die Messeinrichtung 1 in eine entsprechende Öffnung im Behälter einschraubbar ist. In diesem montierten Zustand befindet sich dann der Messkopf 2 in einem nicht-explosionsgefährdeten Bereich 6 (oberhalb der gebrochenen Linie in 1, außerhalb des Tanks). Die Elektrode erstreckt sich in einen Bereich 7, der potentiell explosionsgefährdet ist (unterhalb der durchbrochenen Linie in 1, innerhalb des Tanks).
• Am oberen Ende des Messkopfes 2 erstreckt sich eine Signalleitung 8, welche die Messsignale der Einrichtung zur Auswertung weiterleitet. Es braucht sich bei dieser Messleitung nicht um eine eigensichere Leitung zu handeln, da die Leitung 8 von der Elektrode 3 in dem Messkopf 2 durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung für Spannungen oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes entkoppelt ist. Über das Gewinde 5 ist die Messeinrichtung 1 leitend mit dem Behältnis für die explosionsgefährdeten Stoffe verbunden, so dass eine Spannungsmessung bzw. Leitfähigkeitsmessung zwischen der Elektrode 3 und der Behälterwandung (über den Gewindekontakt 5) vorgenommen werden kann. Taucht die Elektrode 3 in elektrisch-leitfähige Flüssigkeit ein, so ist dieses Signal als charakteristisches Spannungssignal auswertbar und über die Signalleitung 8 abzufragen.
• Das Gehäuse des Anschlusskopfes 2 kann aus Edelstahl oder einem elektrisch-leitfähigen Kunststoff gebildet sein.
• 2 zeigt eine Spannungsbegrenzungsschaltung, wie sie in dem Anschlusskopf 2 aus der Messeinrichtung in 1 zum Einsatz kommt und dort mit Schaltelementen ausgebildet und mit einem isolierenden und beständigen Material vergossen ist.
• In der Schaltung ist ein Anschlusspunkt 20 für die Elektrode bzw. den Elektrodenstab 3 vorgesehen. In 2 sind die Bereiche 6 (nicht explosionsgefährdet) und 7 (explosionsgefährdet) durch eine gestrichelte Linie getrennt. Die im Anschlusskopf 2 befindliche Schaltung weist drei Zener-Dioden 21a, 21b und 21c auf. Ein Anschluss 22 ist leitend mit Masse über die Wandung des Flüssigkeitsbehälters verbunden, z. B. über das Gewinde 5. Die Anschlüsse 23a und 23b ermöglichen den Abgriff des Füllstandssignals mit Hilfe eines Auswerte-Relais.
• Ein Widerstand 24 ist für die Begrenzung des Kurzschlussstromes der Sicherung 25 vorgesehen. Dieser Widerstand kann z. B. als 10 Ohm-Widerstand ausgebildet sein. Die Sicherung 25 sichert die Einrichtung bei übermäßigem Stromfluss und kann beispielsweise als 90 mA-Sicherung ausgebildet sein. Der Widerstand 26 begrenzt den Strom durch den über die Zener-Dioden 21a, 21b, 21c gesicherten und somit eigensicheren Stromkreis. Der Widerstand 27 schließlich ist als hochohmiger Widerstand ausgeführt (z. B. 4,7 MOhm) und dient der Ableitung statischer Aufladungen in Leitungen oder Bauelementen.
• Die Zener-Dioden 21a, 21b, 21c sind derart geschaltet, dass sie in üblichem Betrieb in Sperrrichtung unterhalb der Durchbruchspannung wirken. In diesem Zustand ist die Spannung zwischen den Punkten 22 und 20 an den Anschlüssen 23a und 23b abgreifbar ist. Treten aus irgendeinem Grund jedoch Störspannungen oder Spitzenspannungen auf, die z. B. über die Anschlüsse 23a und 23b in das System eingebracht werden, so wirkt die in 2 gezeigte Schaltung als Sicherungsschaltung. Spannungen am Anschluss 23b werden ohnehin unmittelbar an den Masseanschluss 22 abgeleitet. Spannungen oberhalb eines kritischen Spannungsniveaus, die am Anschluss 23a auftreten, übersteigen die Durchbruchspannung der Zener-Dioden, die in diesem Bereich niederohmig werden und auf diese Weise Spannungsspitzen mit Anschluss 22 koppelt. An der Elektrode 20 können in dieser Situation, wenn die Zener-Dioden niederohmig geschaltet sind, keine kritischen Spannungen anliegen, so dass die Sicherheit der Einrichtung jederzeit gewährleistet ist.
• Die beschriebenen Messeinrichtungen können besonders vorteilhaft in Tanks mit explosionsgefährdeten Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden, z. B. in Gärtanks. Die Sonden oder Messeinrichtungen können problemlos für hohe Systemdrücke, z. B. bis 40 bar ausgelegt werden. Auch die Ausbildung der Einrichtung mit einer höheren Elektrodenzahl ist problemlos möglich.
• Die erfindungsgemäße Messeinrichtung ist besonders sicher in der Montage und Anwendung und gewährleistet einen sicheren Betrieb, da keine aufwendige und kostspielige Verlegung eigensicherer Leitungen außerhalb des Behältnisses erforderlich sind und auch keinen besonderen und zugelassenen Sicherheits-Relais erforderlich sind.
• In einer Weiterbildung der Messeinrichtung kann eine zweite Sicherung vorgeschaltet sein, die durch einen Nutzer wechselbar ausgeführt ist, z. B. als steckbare Sicherung. Diese Sicherung ist empfindlicher als die in der Einrichtung vergossene Sicherung (z. B. um den Faktor 3–5). Im Fehlerfall löst die wechselbare Sicherung zuerst aus, bevor die eingegossene Sicherung auslöst. Die Füllstandsmesseinrichtung braucht dann nicht nach jedem Störfall geringeren Ausmaßes ausgetauscht zu werden, da der Benutzer die Sicherung selbständig austauschen kann. Die umgossene Sicherung gewährleistet jedoch jederzeit manipulationssicher, dass die Sicherheit selbst beim Einsatz einer ungeeigneten Ersatzsicherung oder Überbrückung der Ersatzsicherung gewährleistet ist.

Claims (7)

1. Messeinrichtung für die Füllstandskontrolle in einem Flüssigkeitsbehälter, welcher im Innern einen explosionsgefährdeten Bereich zur Aufnahme von Flüssigkeiten aufweist, wobei die Messeinrichtung einen in oder an einer Behälterwandung angeordneten Anschlusskopf aufweist, aus dem sich wenigstens eine langgestreckte Messelektrode erstreckt, die sich in den explosionsgefährdeten Bereich hinein erstreckt und in die Flüssigkeit eintaucht, wobei die Messelektrode in dem Anschlusskopf elektrisch mit einer Signalleitung gekoppelt ist, die sich außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen der Messelektrode und der Signalleitung über eine in dem Anschlusskopf integrierte, als Sicherheitsbarriere wirkende Spannungsbegrenzungsschaltung derart ausgebildet ist, dass in der Signalleitung auftretende Spannungen oberhalb eines vorgegebenen Spannungswertes von der Messelektrode entkoppelt und nach einer Masse abgeleitet werden, wobei die Spannungsbegrenzungsschaltung im Anschlusskopf außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet ist.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zwei Messelektroden aufweist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungsschaltung als Z-Barriere ausgebildet ist.
4. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungsschaltung aus elektrischen Komponenten gebildet und im Anschlusskopf der Messeinrichtung mit einem elektrisch isolierenden Material vergossen ist.
5. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusskopf ein elektrisch leitfähiges Gehäuse aufweist, welches elektrisch leitend mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist.
6. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit der Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Strombegrenzungseinrichtung ausgebildet ist.
7. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine nutzerseitig wechselbare Sicherung der Spannungsbegrenzungsschaltung vorgeschaltet ist.