Anlage und Verfahren zur Ausfallserkennung eines Drucksensors

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Aus- fallserkennung eines Drucksensors, der zur Drucküberwachung ei- nes geschlossenen Raums dient und ein Verlassen eines vorgegebenen Druckbereichs anzeigt, mit einer Auswerteeinrichtung für das Druckmeßsignal des Drucksensors. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren für eine solche Ausfallserkennung.

Drucksensoren für geschlossene Räume dienen häufig als Si- cherheitseinrichtungen, beispielsweise zur Drucküberwachung des Doppelwand-Zwischenraums von doppelwandigen Tanks, zur Drucküberwachung von flüssigkeitsgekühlten Gerätegehäusen usw. Bei solchen Sicherheitsanwendungen befindet sich der Drucksensor für lange Zeit, d.h. solange kein über- oder Unterdruckalarm abzugeben ist, üblicherweise in Ruhestellung und es ist nicht erkennbar, ob der Drucksensor für den Ernstfall noch funktionsfähig oder bereits ausgefallen ist. Eine regelmäßige überprüfung der Funktionsbereitschaft des Drucksensors ist daher sicherheitsentscheidend, was bislang aufwendig durch Begehungen vor Ort oder periodische Tests durchgeführt werden muß. Darü- berhinaus birgt dies die Gefahr in sich, einen zwischen den überprüfungsintervallen auftretenden Ausfall nicht sofort zu erkennen.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Anlage und ein Verfahren zur Ausfallserkennung eines Drucksensors zu schaffen, welche die geschilderten Nachteile überwinden und eine ständige Ausfallsüberwachung von in Sicherheitsbereitschaft stehenden Drucksensoren ermöglichen.

Dieses Ziel wird in einem ersten Aspekt der Erfindung mit einer Anlage der einleitend genannten Art erreicht, die sich dadurch auszeichnet, daß die Auswerteeinrichtung einen Ausfall des Drucksensors anzeigt, wenn das Druckmeßsignal innerhalb des genannten Druckbereichs keine tagesperiodische Druckschwankung aufweist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Druck in einem geschlossenen Raum stets einer kleinen, tagesperiodischen Druckschwankung unterliegt, welche auf den Einfluß des natürlichen Umgebungsklimas zurückzuführen ist, u.zw. genauer die un- terschiedliche Tag-Nacht-Erwärmung durch die wechselnde Sonneneinstrahlung. Diese geringfügigen Temperaturschwankungen führen zu korrespondierenden geringfügigen Druckschwankungen innerhalb des Raumes im Tagesverlauf, welche nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung als Kriterium für die Funktionsfähigkeit des Drucksensors herangezogen werden: Das Ausbleiben einer tagesperiodischen Schwankung im Druckmeßsignal des Drucksensors zeigt unmittelbar einen Ausfall des Drucksensors an, sodaß sofort Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Im Ergebnis ermöglicht dies eine kontinuierliche Ausfallserkennung von Drucksen- soren, selbst wenn diese über lange Zeit in bloßer Auslösebereitschaft („Ruhestellung") stehen. Die Ausfallerkennung ist auch von einem weit entfernten Ort aus möglich, denn es ist dazu lediglich das Druckmeßsignal erforderlich, welches signaltechnische fernüberwacht werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt die Auswerteeinrichtung auch dann einen Ausfall des Drucksensors an, wenn das Druckmeßsignal eine tagesperiodische Druckschwankung aufweist, die unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt. Dadurch kann der Einfluß von Meßwandlertoleranzen im Drucksensor reduziert werden; darüber hinaus kann damit ein nahender Ausfall des Drucksensors erkannt werden, wenn sich dieser durch eine sukzessive Verringerung seiner Meßempfindlichkeit ankündigt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Anlage ein Barometer aufweist, welches änderungen des Atmosphärendrucks außerhalb des Raumes mißt und an die Auswerteeinrichtung angeschlossen ist, und die Auswerteeinrichtung das Druckmeßsignal vor der genannten Auswertung um atmosphärendruckbedingte Druckänderungen be- reinigt. Dadurch kann der Einfluß von klimatischen Luftdruck-

Schwankungen kompensiert werden, sodaß die gemessenen Druckschwankungen im wesentlichen nur mehr auf die tagesperiodischen Temperaturschwankungen im Rauminneren zurückzuführen sind, welche durch die wechselnde Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf be- dingt sind.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung weist die Anlage ferner ein Hygrometer auf, welches änderungen des Feuchtigkeitsgehalts im Raum mißt und an die Auswerteeinrichtung angeschlossen ist, und die Auswerteeinrichtung berei- nigt das Druckmeßsignal vor der genannten Auswertung um feuchtigkeitsgehaltbedingte Druckänderungen, sodaß auch diese Einflüsse kompensiert werden können.

Für den bevorzugten Anwendungsfall von Drucksensoren, die als Raum den Doppelwand-Zwischenraum eines doppelwandigen Tanks überwachen, ist es besonders günstig, wenn die Anlage gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal einen Füllstandsensor für den Tank aufweist, welcher an die Auswerteeinrichtung angeschlossen ist, und die Auswerteeinrichtung das Druckmeßsignal vor der genannten Auswertung um füllstandsbedingte Druckänderungen berei- nigt. Dadurch können auch Störeinflüsse, die auf Dehnungen der inneren Tankwand der Doppelwand wegen wechselnden Füllstandes auftreten, kompensiert werden.

In einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Ausfallserkennung der eingangs genannten Art, welches sich dadurch auszeichnet, daß fortlaufend überprüft wird, ob das Druckmeßsignal des Drucksensors innerhalb des genannten Druckbereichs eine tagesperiodische Druckschwankung aufweist, und ein Ausfall des Drucksensors erkannt wird, wenn keine tagesperiodische Druckschwankung mehr feststellbar ist. Hinsicht- lieh der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zur Anlage verwiesen.

Bevorzugt wird ein Ausfall des Drucksensors bereits dann erkannt, wenn die tagesperiodische Druckschwankung unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt; und besonders bevorzugt wird als Schwellwert ein Bruchteil des Mittelwerts mehrerer vorange-

gangener tagesperiodischer Druckschwankungen festgesetzt. Dadurch kann ein weitgehend automatisiertes Verfahren geschaffen werden, dessen Auslösekriterium für die Ausfallserkennung keiner manuellen Einstellung bedarf, sondern sich anlagenspezi- fisch selbsttätig einstellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles anhand der beigeschlossenen Zeichnungen, in denen zeigt: Fig. 1 die Anlage der Erfindung in schematischer Blockschaltbildform;

Fig. 2 drei jahreszeitentypische Druckschwankungsverläufe in einem geschlossenen Raum, welcher dem natürlichen Umgebungsklima ausgesetzt ist; und Fig. 3 ein beispielhaftes tagesperiodisches Druckmeßsignal des Drucksensors von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Anlage 1 zur Erkennung eines Ausfalles eines Drucksensors 2, welcher zur Drucküberwachung eines geschlossenen Raumes 3 dient. Der geschlossene Raum 3 ist im ge- zeigten Beispiel der Doppelwand-Zwischenraum eines doppelwandi- gen Tanks 4, wie er beispielsweise bei Tankstellen als unterirdischer Kraftstofftank Anwendung findet und über eine Entnahmeleitung 5 verfügt. Der Raum 3 wird beispielsweise mit überdruck beaufschlagt, um im Falle eines Lecks der Innenwand des Tanks 4 ein Austreten von Kraftstoff zu verhindern. Bei anderen Anwendungsfällen wird der Raum 3 alternativ auf einen vorgegebenen Unterdrück evakuiert, um im Falle eines Lecks der Innenwand ein Eintreten von Luft in den Tank 4 zu verhindern. In jedem Fall wird mit Hilfe des Drucksensors 2 die Einhaltung eines vorgege- benen Druckbereichs überwacht, d.h. der Drucksensor 2 löst bei einem Verlassen dieses Druckbereichs, z.B. einem Unterschreiten eines Mindestdrucks eines druckbeaufschlagten Raumes oder einem überschreiten eines Höchstdrucks eines evakuierten Raumes, wie es bei einem Leck in der Innen- oder Außenwand des Tanks auf- treten kann, einen entsprechenden Alarm aus. Dazu dient im ge-

zeigten Beispiel eine Auswerteeinrichtung 6, welche über eine Datenverbindung 7 das Druckmeßsignal des Drucksensors 2 empfängt und auf einer Ausgangsleitung 8 einen Alarm ausgeben kann. Die Anlage 1 ist ferner mit einem Barometer 9 außerhalb des Tanks 4, einem Hygrometer 10 im Raum 3 sowie einem Füllstandsensor 11 im Tankinneren ausgestattet, welche Komponenten ebenfalls an die Auswerteeinrichtung 6 angeschlossen sind und deren Funktion später ausführlicher erläutert wird. Zur ständigen überprüfung der Funktionsbereitschaft und damit Erkennung eines Ausfalls des Drucksensors 2 dient das folgende Verfahren, welches von der Auswerteeinrichtung 6 abgearbeitet wird.

Aufgrund der im Tagesverlauf wechselnden Sonneneinstrah- lung auf den Tank 4, welche zu einer entsprechenden tagesperiodischen Temperaturschwankung der Gase im Raum 3 führt, tritt im Raum 3 eine dementsprechende tagesperiodische Druckschwankung δP auf, die in Fig. 2 schematisch gezeigt ist und für unterschiedliche Jahreszeiten unterschiedlich stark ausfällt: Kurve 12 zeigt die tagesperiodische Druckschwankung im Raum 3 an einem typischen Sommertag, Kurve 13 an einem typischen Frühlings- oder Herbsttag und Kurve 14 an einem typischen Wintertag. Es ist ersichtlich, daß die größte tagesperiodische Druckschwankungen δP im Frühling bzw. Herbst auftritt. In jedem Fall ist die tagesperiodische Druckschwankung δP in der Regel sehr klein (in Fig. 2 übertrieben dargestellt) und liegt stets innerhalb des vom Drucksensor 2 zu Alarmzwecken zu überwachenden Druckbereichs .

Das Auftreten der tagesperiodischen Druckschwankung δP im Druckmeßsignal des Drucksensors 2 wird von der Auswerteeinrichtung 6 kontinuierlich, beispielsweise einmal pro Tag für die vorangegangenen 24h, festgestellt. Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Druckmeßsignal, das von der Auswerteeinrichtung 6 über die Datenverbindung 7 vom Drucksensor 2 im Zeitraum von 09 h 49 min 34 s bis 09 h 09 min 34 s des Folgetages empfangen wurde

und einen etwa der Kurve 14 von Fig. 2 entsprechenden Verlauf zeigt.

Sobald die Auswerteeinrichtung 6 bei ihrer fortlaufenden überprüfung feststellt, daß das Druckmeßsignal innerhalb der letzten 24h keine tagesperiodische Druckschwankung aufwies, zeigt sie einen Ausfall des Drucksensors 2 an, beispielsweise durch Abgabe eines entsprechenden Ausfallalarmes auf der Ausgangsleitung 8.

Das Erkennen des Vorliegens einer tagesperiodischen Druck- Schwankung im Druckmeßsignal kann mit Hilfe jedes beliebigen in der Technik bekannten Signalauswertungsverfahrens vorgenommen werden, beispielsweise durch Frequenzanalyse, Mustererkennung od.dgl. Im einfachsten Fall genügt es, die Differenz zwischen maximalem und minimalem Druckmeßwert eines Tages zu ermitteln, d.h. die Amplitude δP der tagesperiodischen Druckschwankung, und festzustellen, ob diese Null ist oder zumindest einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, d.h. das Kriterium ist:

δP = | p _m aχ24h ~ Pmax24h I ≤ S ? mit

Pmaχ24h maximaler Druckmeßwert der letzten 24 Stunden

P _m in ₂ 4h minimaler Druckmeßwert der letzten 24 Stunden

S vorgegebener Schwellwert

Wenn der Schwellwert S Null ist, wird auf einen Ausfall erkannt, wenn keine tagesperiodische Druckschwankung δP vorliegt; wenn S größer als Null ist, wird auf einen Ausfall erkannt, wenn die tagesperiodische Druckschwankung δP den Schwellwert unterschreitet. Bevorzugt wird der Schwellwert S auf einen vorgegebenen Bruchteil, z.B. 1/10, des Mittelwertes δP _m ittei mehrerer vorangegangener tagesperiodischer Druckschwankungen δP festgesetzt, d.h.

S = δPmittel/ 10

Der Druckmeßwert des Drucksensors 2 kann von der Auswerteeinrichtung 6 vor der obengenannten Auswertung optional um Schwankungen des atmosphärischen Umgebungsdrucks bereinigt werden, welche mittels des Barometers 9 gemessen werden können. Auch änderungen des Feuchtigkeitsgehalts der Gase im Raum 3, die einen störenden Einfluß auf den Druckmeßwert haben können, können optional mittels des Hygrometers 10 gemessen und von der Auswerteeinrichtung 6 unter Heranziehung der in der Technik bekannten Gasgleichungen kompensiert werden. Schließlich kann auch der Füllstand im Tank 4 die Druckmeßwerte des Drucksensors 2 verfälschen, wenn sich beispielsweise die Innenwand des Tanks 4 je nach Füllstands des Tanks ausdehnt. Mittels des Füllstandsensors 11 kann daher optional der Füllstand des Tanks 4 gemessen und das Druckmeßsignal des Drucksensors 2 von der Auswerteeinrichtung 6 um füllstandsbedingten Druckänderungen bereinigt werden.

Die Anlage und das Verfahren der Erfindung eignen sich zur Ausfallserkennung aller Arten von Drucksensoren, welche den Druck eines geschlossenen Raumes überwachen, der zumindest in- direkt dem Einfluß des Umgebungsklimas und damit Temperaturänderungen im Tagesverlauf unterliegt, z.B. auch von Sicherheits- Drucksensoren für flüssigkeitsgekühlte Freiland-Transformatorstationen.

Die Erfindung ist demgemäß nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.