LANG, Wolfgang (Landvogtweg 2D, Lauchringen, 79787, DE)
ZINN, Hanspeter (Birchstrasse 17A, Rütihof, CH-5406, CH)
LANG, Wolfgang (Landvogtweg 2D, Lauchringen, 79787, DE)
| PATENTANSPRÜCHE 1. Messanordnung für mindestens eine Temperaturmessung bestehend aus mindestens einer Messkette für mindestens ein Thermoelement (1 ), mindestens einer Messkette für eine Temperaturmessung einer kalten Verbindungsstelle (14) des mindestens einen Thermoelementes (14) und einem Regler (10), der für eine Linearisierung der Messsignale, eine Korrektur der Temperatur der kalten Verbindungsstelle (14) und eine Auswertung der gemessen Temperatur konfiguriert ist, wobei jede Messkette für das mindestens eine Thermoelement (1 ) - ein Thermoelement (1 ), einen Signalwandler (5), ein Eingabemodul (13) des Reglers (10) und Kabel (7) von dem Thermoelement (1 ) zu dem Signalwandler (5) sowie Kabel (7) von dem Signalwandler (5) zu dem Eingabemodul (13) aufweist, und jede Messkette für die mindestens eine Temperaturmessung der kalten Verbindungsstelle des Thermoelementes (14), - ein Widerstandsthermometer (2), eine Widerstandsthermometer- Messbrücke (6), ein Eingabemodul (13) und Kabel (7) von dem Widerstandsthermometer (2) zu der Widerstandsthermometer- Messbrücke (6) sowie Kabel (7) von der Widerstandsthermometer- Messbrücke (6) zu dem Eingabemodul (13) aufweist. 2. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Widerstandsthermometer (2) zur redundanten Messung der Temperatur der kalten Verbindungsstelle des mindestens einen Thermoelements (14) angeordnet sind. 3. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Widerstandsthermometer (2) zur redundanten Messung der Temperatur der kalten Verbindungsstelle des mindestens einen Thermoelements (14) angeordnet sind. 4. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Verbindungsstelle (14) zwischen dem Thermoelement und dem Signalwandler (5) angeordnet ist und die kalte Verbindungsstelle (14) durch ein Kabel (7) zur Übertragung der Messspannung mit dem Signalwandler (5) verbunden ist. 5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Verbindungsstelle an dem Anschluss des Signalwandlers (5) angeordnet. 6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Thermoelemente (1 ) mit nebeneinander angeordneten kalten Verbindungsstellen (14) aufweist, und dass das mindestens eine Widerstandsthermometer (2) zur Messung der Temperatur der kalten Verbindungsstellen (14) der mindestens zwei Thermoelementmessungen angeordnet ist. 7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Thermoelement (1 ) in einer Explosionsschutzzone angeordnet ist. 8. Verfahren zur Temperaturmessung in einer Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungssignal eines Thermoelementes (1 ) in einem Signalwandler (5) in einen Signalstrom umgewandelt wird, das Temperatursignal eines Widerstandsthermometers (2) zur Messung der Temperatur einer kalten Verbindungsstelle (14) des Thermoelements (1 ) von einer Widerstandsthermometer- Messbrücke (6) als Signalstrom ausgegeben wird, der Signalstrom des Signalwandlers (5) in einem Eingabemodul (13) digitalisiert wird und in einem Regler (10) der Anlage linearisiert wird, der Signalstrom der Widerstandsthermometer- Messbrücke (6) in einem Eingabemodul (13) digitalisiert wird und dem Regler (10) der Anlage linearisiert wird, und das linearisierte Temperatursignal des Thermoelements (1 ) mit dem linearisierten Temperatursignal der Temperaturmessung der kalten Verbindungsstelle (14) in dem Regler (10) der Anlage korrigiert wird, um ein Temperatursignal (1 1 ) zu erzeugen. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatursignal (1 1 ) in dem Regler (10) für Regel und/ oder mindestens eine Schutzfunktion der Anlage benutzt wird. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass redundante Temperaturmessungen der kalten Verbindungsstelle (14) durchgeführt werden und eine Votierung und Mittelwertbildung der Messsignale im Regler (10) durchgeführt wird. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Temperaturmessung der kalten Verbindungsstelle (14) zur Korrektur von mehreren Thermoelement- Temperaturmessungen im Regler (10) benutzt wird. |
TEMPERATURMESSUNG IN GESCHÜTZTEN BEREICHEN
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik. Sie betrifft zuverlässige Temperaturmessungen, insbesondere Anordnungen zur Messung von Temperaturen in geschützten Zonen, speziell in explosionsgeschützten Zonen oder Räumen.
STAND DER TECHNIK
Temperaturmessungen von sicherheitsrelevanten Prozessgrössen werden typischerweise mit Thermoelementen, auch Thermocouple genannt, gemessen. Die Ausnutzung von Thermospannung zur Temperaturmessung ist weit verbreitet. Eine genaue, zuverlässige Temperaturmessung basierend auf Thermospannungen ist jedoch nach wie vor nicht trivial. Die Temperatur der Anschlüsse des Thermoelementes, an denen die Thermospannung abgegriffen wird, beeinflusst die Messung und es ist eine Kompensation der kalten Verbindung, oft als kalte Lötstelle bezeichnet, notwendig. Dazu wird üblicherweise die Temperatur der kalten Verbindung mit einem Widerstandsthermometer gemessen. Die Thermospannung der Thermoelemente wird in der Regel in programmierbaren Transmitter linearisiert und in einen Signalstrom umgewandelt. Weiter wird die Kompensation der kalten Verbindungsstelle in dem Transmitter integriert. Bei Anwendungen in Explosionsgeschützten Räumen oder anderen geschützten Zonen dienen die Transmitter ausserdem zur galvanischen Trennung.
Das ausgegebene Temperatursignal wird beispielsweise weiter zur Steuerung oder zum Schutz von Industrieanlagen wie Kraftwerken oder chemischen Anlagen genutzt. Die Regelcomputer oder Schutzrechner erhalten die Signale über Ein- / Ausgabemodule. Die Transmitter sind passend zu den Ein- und Ausgabemodulen, die für die Weiterverarbeitung des Signals gewählt worden sind, zu konfigurieren. Weiterhin sind diese Transmitter abhängig von der verwendeten Art von Thermoelementen zu programmieren. Beide Schritte sind vor Ort am Transmitter durchzuführen und sind mögliche Fehlerquellen. Ferner sind auch nach Inbetriebnahme der Anlage Manipulationen an den Transmittern möglich, die in der Regelung und vom Schutz der Anlage nicht erkannt werden und zu
Fehlmessungen führen können und ein Versagen der Schutzfunktionen zur Folge haben können.
Kritische Temperaturen werden aus Sicherheitsüberlegungen häufig redundant gemessen. In den bekannten Transmittern ist die Kompensation der Temperatur der kalten Verbindung jedoch nur mit einer einfachen Messung realisiert. Ein Fehler dieser Messung kann also unerkannt zu einer verfälschten Ausgabe der kritischen Temperatur führen.
Insbesondere bei hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit, wie sie in der IEC 61508 definiert sind und die weltweit als Basis für Spezifikationen, Entwurf und Betrieb von sicherheitstechnischen Systemen gilt (Safety Instrumented Systems, SIS) ist der Einsatz von komplexen Transmittern problematisch. Sie sind entweder sehr teuer oder ohne die geforderten Sicherheitszertifikate. Aufgrund des komplexen Aufbaus ist eine Zertifizierung ausserdem sehr schwierig und aufwendig. Weiter sind die Transmitter oft langsam mit Abtastraten von nur 0.5 Hz bis 1 Hz.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine schnelle und zuverlässige Temperaturmessung mit niedriger Komplexität zu schaffen. Weiter soll die niedrige Komplexität eine transparente Beurteilung der sicherheitsrelevanten Parameter, d.h. der Zuverlässigkeit oder Ausfallwahrscheinlichkeit sowie der Genauigkeit, erlauben und damit eine Sicherheitszertifizierung beispielsweise nach IEC 61508 erleichtern. Ausserdem sollte eine Anwendung in explosionsgeschützten Räumen möglich sein.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist Kombination von vereinfachenden Massnahmen, die es erlauben sichere, einfache Messkette aus zuverlässigen, simplen, sicherheitstechnisch einfach zu beurteilenden Komponenten bereit zu stellen. Kern der Erfindung ist dabei eine Trennung der Übertragung des Signals der Temperaturkompensation von der Übertragung des Messsignals der eigentlichen Messung und Ausführung der Linearisierung des Messsignals und der Temperaturkompensationsrechnung in dem Regler oder Schutzrechner der Anlage. Als Regler ist im weiteren stellvertretend und ohne Einschränkung ein Kontrollrechner, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder PLC (programmable logic Controller), die Regelung der Anlage, ein Schutzrechner der Anlage oder ähnlicher Rechner zu verstehen.
Die Temperaturmessung besteht erfindungsgemäss aus einer Messkette für das Thermoelement, einer Messkette für die Kompensationsmessung sowie einem Regler, der die Signalverarbeitung durchführt. Die Messkette des Thermoelements beinhaltet ein Thermoelement, eine kalte Verbindung des Thermoelementes zu Signalkabeln, einen Signalwandler, auch mV/mA Konverter genannt und Signalkabeln zu dem Regler der Anlage. Der mV/m A Konverter erlaubt es. das
Messkette der Kompensations- messung beinhaltet mindestens ein Widerstandsthermometer mit Messbrücke und Signalkabeln zu dem Regler.
In dem Regler oder einem Eingabemodul des Reglers wird das Messsignal des Thermoelementes linearisiert. Zur Kompensation der Temperatur der kalten Verbindungsstelle wird das linearisierte Signal des Thermoelements mit Kompensationsmessung im Regler korrigiert.
Um bei sicherheitsrelevanten Messungen die Zuverlässigkeit zu erhöhen, werden Temperaturmessungen redundant ausgeführt. Kritische Prozesstemperaturen werden in der Regel dreifach redundant ausgeführt. Die erfindungsgemässe Trennung von Thermoelementmessung und Kompensationsmessung erlaubt es, ohne eine Beschränkung durch herkömmliche Transmitter, eine redundante Temperaturmessung der kalten Verbindungsstelle durchzuführen. So werden beispielsweise an der kalten Verbindungsstelle drei redundante
Widerstandsthermometer angeordnet und deren Temperatursignal parallel zu dem Regler übertragen. In dem Regler werden dann die drei Signale über ein Votierung geprüft, plausible Messwerte ausgewählt und ein Mittelwert gebildet. Dieser Mittelwert hat eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit als eine Einzelmessung und wird zur Korrektur der Thermoelementmessung weiter verarbeitet.
Verschiedene Votierungskriterien sind denkbar. Beispielsweise ist eine maximale Abweichung von dem Mittelwert der drei Messungen oder ein Über- oder Unterschreiten von absoluten, anlagenspezifischen Grenzwerten als Kriterium denkbar. Falls eine Messung ausfällt oder durch die Votierung ausfällt, kann ein Betrieb weiter zugelassen werden. Fallen zwei oder mehr Messungen durch die Votierung aus, so wird die Messung typischerweise als ungültig gewertet und von dem Regler eine Schutzmassnahme ausgelöst. Bei dem Ausfall einer Messung wird typischerweise ein Alarm gesendet.
Bei redundanten oder benachbart angeordneten Thermoelementen können die kalten Verbindungsstellen vorteilhaft räumlich zusammengelegt werden. Ist durch die Anordnung oder geeignete Abschirmung der Verbindungsstellen praktisch die gleiche Temperatur für die Verbindungsstellen mehrerer Thermoelemente sichergestellt, so kann die mindestens eine Kompensationsmessung im Regler zur Kompensation mehrerer Thermoelementmessungen verwendet werden. Dies erlaubt eine Reduktion der Anzahl an Kompensationsmessungen. Trotz geringer Anzahl an Kompensationsmessungen kann durch diese Anordnung die Zuverlässigkeit gegenüber herkömmlichen Transmittern, in denen jeder kalten Verbindung eines Thermoelementes eine Kompensationsmessung zugeordnet ist, erhöht werden.
Bei Messungen in explosionsgeschützten Räumen oder Explosionsschutzzone ist in der Messkette eine galvanische Trennung vorzusehen. Diese kann beispielsweise in den Konvertern oder als separates Element in den Messleitungen vorgesehen werden.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild einer Thermoelementmessung mit dreifach redundanter Temperaturmessung der Verbindungsstellen sowie der Messleitungen, der Konverter und der Regler; und Fig. 2 ein stark vereinfachtes Schaltbild von drei
Thermoelementmessungen mit dreifach redundanter Temperaturmessung der Verbindungsstellen sowie der Messleitungen, der Konverter und des Reglers oder Sicherheitsrechners.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schaltbild mit einer Thermoelementmessung 1 und dreifach redundanter Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern 2 der kalten Verbindungsstellen 14 dargestellt. Die Messketten des Thermoelementes 1 sowie der Widerstandsthermometer 2 sind einfach und klar aufgebaut und führen zu dem Regler 10.
Die Messkette des Thermoelementes besteht aus dem Thermoelement 1 , mit Thermoelementverlängerung 12, die das Thermoelement 7 an der kalten Verbindungsstelle 14 mit einem Kabel 7 verbindet. Dies Kabel 7 überträgt die Thermospannung über die Grenze des explosionsgeschützten Raums 3 zu einem im ungeschützten Raum 4 installierten Signalwandler 5, der die Thermospannung in einen Signalstrom konvertiert. Der Signalstrom wird über ein weiteres Kabel 7 zu dem Eingabemodul 13 des Reglers 10 geleitet. In dem Eingabemodul 13 wird der analoge Signalstrom digitalisiert. Typische Eingabemodule oder Eingabeinterface sind sogenannte I/O- Karten, die den analogen Signalstrom für die weitere Signalverarbeitung im Regler 10 digitalisieren.
Ein Thermoelement 1 ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen metallischen Leitern oder Metalldrähten. An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter aufgrund des Seebeck- Effekts eine elektrische Spannung erzeugt. Typischerweise ist das Thermoelement durch eine längliche, einseitig offene, beispielsweise zylindrische Hülle geschützt und kann mit Hilfe dieser Hülle an einen definierten Ort gehalten bzw. montiert werden. Die Verbindungsstelle der beiden Leiter ist dabei in dem geschlossen Ende dieser Hülle positioniert. Die offenen Enden der Leiter des Thermoelementes 1 reichen typischerweise aus dem offenen Ende der Hülle hinaus. Die aus der Hülle herausreichenden Leiter des Thermoelementes 1 werden als Thermoelementverlängerung 12 bezeichnet.
Neben der Messkette des Thermoelementes sind drei parallele Messketten von Widerstandsthermometern 2, die die Temperatur der kalten Verbindungsstelle 14 messen, angeordnet. Die Widerstandsthermometer 2 sind mit Kabeln 7 über die Grenze des explosionsgeschützten Raums 3 an eine Widerstandsthermometer- Messbrücke 6, auch RTD- Konverter genannt, angeschlossen. Von dort wird das Messsignal weiter über Kabel 7 zu dem Eingabemodul 13 des Regler 10 übertragen.
In dem Regler 10 werden die Signale der Widerstandsthermometer ausgewertet. In einer Votierung und Linearisierung 9 werden die Signale der Widerstandsthermometer- Messbrücken 6 linearisiert, ihre Plausibilität geprüft und ein Mittelwert gebildet. Parallel dazu wird das Signal des Thermoelementes in der Thermoelement- Linearisierung 8 linearisiert. Das linearisierte Thermoelement- Messsignal wird mit dem linearisierten Widerstandsthermometer- Messsignal korrigiert und als Temperatursignal 1 1 in dem Regler 10 weiter verarbeitet.
Die Eingabe von weiteren Messsignalen der Anlage, deren Verarbeitung sowie die Ausgabe von Regel- und Steuersignalen als auch die Anlage selber sind zur Vereinfachung nicht dargestellt.
Für die Widerstandstemperaturmessung sind verschiedene Verfahren bekannt. In Fig. 1 ist als Beispiel eine Vierleitermessbrücke dargestellt. Als Alternative sind Dreileitermessbrücken ebenfalls gut geeignet. In dem Beispiel ist angenommen, dass die galvanische Trennung der Messketten in den Signalwandler 5 bzw. in die Widerstandsthermometer- Messbrücken 6 integriert ist. In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Schaltbild mit drei Thermoelementmessungen 1 und dreifach redundanter Temperaturmessung durch Widerstandsthermometer 2 der Verbindungsstellen dargestellt. Die Messketten der Thermoelemente 1 sowie der Widerstandsthermometer 2 entsprechen denen des Beispiels aus Fig. 1 und sind einfach und klar aufgebaut. Sie führen zu den Eingabemodulen 13 des Reglers 10. Anstelle von einer Thermoelementmessung 1 im Fig. 1 sind in diesem Beispiel drei Thermoelementmessungen 1 mit drei parallelen Messketten ausgeführt.
Die Messung und Auswertung der Temperatur der kalten Verbindungsstelle 14 erfolgt wie in dem Beispiel aus Fig. 1 durch Widerstandsthermometer 2. Im Gegensatz zu dem Beispiel aus Fig. 1 wird das linearisierte Widerstandsthermometer- Messsignal aber nicht nur für die Korrektur einer Thermoelementmessung 1 benutzt sonder für die Korrektur der linearisierten Thermoelement- Messsignale aller drei Thermoelementmessungen 1 genutzt. Die resultierenden drei Temperatursignale 1 1 werden in dem Regler 10 weiter verarbeitet.
Um die Temperatur der kalten Verbindungsstellen 14 möglichst konstant zu halten und vor allem bei Änderungen der Umgebungstemperatur im Bereich der Verbindungsstellen 14 die Messfehler zu minimieren, können die kalten Verbindungsstellen 14 zusammen mit den Widerstandsthermometern 2 in einem Gehäuse oder einer Umschliessung 15 zusammengefasst sein.
Die möglichen Ausführungen der Erfindung sind nicht auf die hier dargestellten Beispiele beschränkt. Anhand der Beispiele eröffnen sich dem Fachmann eine Vielzahl von möglichen äquivalenten Lösungen. Insbesondere ist die Anzahl der Thermoelementmessung und der redundanten Temperaturmessungen der kalten Verbindungsstellen 14 nicht auf die in den Beispielen angegeben Kombinationen beschränkt. Die Temperaturmessungen der kalten Verbindungsstellen 14 kann zur Korrektur einer beliebig grossen Anzahl von Thermoelementmessung benutzt werden, solange sicher gestellt ist, dass die Temperatur der kalten Verbindungsstellen 14 praktisch gleich ist und damit korrekt gemessen wird. Weiter kann eine grossere Anzahl von redundanten Temperaturmessungen der kalten Verbindungsstellen 14 benutzt werden, um deren Zuverlässigkeit zu vergrössern.
Die kalten Verbindungsstellen 14 müssen nicht notwendiger weise direkt am Thermoelement 1 liegen. Sie können durch die Thermoelementverlängerung 12 von heissen Zonen der Anlage weggeführt werden, oder beispielsweise zu Klemmenkästen geführt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, die Thermoelemente durch die Thermoelementverlängerung direkt an den Signalwandler 5 anzuschliessen.
Weiter sind dem Fachmann eine Vielzahl geeigneter Materialen für die Kabel 7 zur Stromübertragung, wie beispielsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen, bekannt.
BEZUGSZEICHENLISTE
I Thermoelement 2 Widerstandsthermometer
3 Explosionsgeschützter Bereich
4 Ungeschützter Raum
5 Signalwandler
6 Widerstandsthermometer- Messbrücke 7 Kabel
8 Thermoelement- Linearisierung
9 Votierung und Linearisierung
10 Regler oder Sicherheitsrechner
I 1 Temperatursignal 12 Thermoelementverlängerung
13 Eingabemodul des Reglers
14 Kalte Lötung oder Verbindungsstelle des Thermoelements
15 Umschliessung der kalten Lötung oder Verbindungsstelle