Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatisierten
sicherheitsgerichteten Überwachung des Sauerstoffgehaltes in Fluiden.
Die Fluide umfassen Gase und Flüssigkeiten. Insbesondere betrifft
die Erfindung Gase aus der chemischen Verfahrenstechnik.
Bis vor kurzem trugen vor allem Anlagen- und Prozeßingenieure
die Hauptlast der aufwendigen und komplexen Risikobewertung, die nach der Installation
und vor Inbetriebnahme neuer Anlagen oder Anlagenteile für industrielle Fertigungsprozesse
erforderlich ist. Für diese Aufgabe gilt es, das potentielle Risiko für
Mensch, Umwelt und für Fehlfunktionen des Prozesses abzuschätzen und als
Safety Integrity Level (SIL) der Stufe 1 bis 4 zu klassifizieren.
Die neue Norm IEC 61508 enthält klare Richtlinien und eine Methode
für die SIL-Klassifizierung und ermöglicht es den Herstellern von Anlagenkomponenten
wie z.B. Sensoren, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Aktoren, ihre
Produkte für bestimmte SIL-Stufen zu qualifizieren bzw. zu zertifizieren. Marktübliche
SPS z.B. verfügen bereits seit Jahren über entsprechende Zertifikate.
IEC 61508 ist für alle Anlagen anwendbar, in denen elektrische, elektronische
und programmierbare elektronische Systeme Sicherheitsfunktionen erfüllen.
Nach IEC 61508 wird für einen gegebenen Prozeß zunächst
eine Risikobewertung vorgenommen und hierauf basierend die erforderliche SIL-Stufe
ermittelt (siehe 1). Anschließend kann für
die Prozeßanlage ein sogenanntes Zuverlässigkeitsblockdiagramm erstellt
werden. Das Zuverlässigkeitsblockdiagramm, das einem elektronischen Blockschaltbild
vergleichbar ist, enthält alle relevanten Anlagen- und Prozeßparameter,
u.a. die „probability of failure on demand" (PFD) oder „gefährliche
Versagenswahrscheinlichkeit" jedes Anlagenteils, teilweise bis hinab zur Komponentenebene.
Die PFD ist auf einen vorgegebenen Zeitraum TPFD (üblicherweise
ein Jahr) bezogen und beziffert die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer
Fehlfunktion. Ist die tatsächliche Einsatzzeit TE kürzer oder
länger als TPFD, so verringert bzw. erhöht sich die PFD im
Verhältnis TE ÷ TPFD. Dementsprechend kann die PFD
einer Anlage oder eines Anlagenteils angepaßt werden, indem die Anlage in regelmäßigen
Prüfintervallen einem vollständigen Funktionstest unterzogen wird. Wird
das Prüfintervall zum Beispiel auf ein halbes Jahr reduziert, halbiert sich
auch die PFD der Anlage entsprechend. Beträgt das Prüfintervall zwei Jahre,
so verdoppelt sich die PFD (unter der Voraussetzung, daß die Anlage keine verborgenen
Abnutzungserscheinungen aufweist und eine lineare Extrapolation der PFD zulässig
ist).
Die PFD ist erster Anhaltspunkt, ob und in welcher SIL-Stufe eine
Anlagenkomponente einsetzbar ist. Für eine Meßkette z.B. fordert SIL 2
eine PFD zwischen 1 × 10–3 und 1 × l0–2.
Die PFD der einzelnen Module der Meßkette werden hierbei addiert. Für
SIL 2 muß also gewährleistet sein, daß die Summe der PFD aller Module
den Wert von 0,99 × 10–2 nicht übersteigt. Meßketten,
die vollständig aus SIL 2 zertifizierten Komponenten aufgebaut sind, erfüllen
daher nicht zwangsläufig SIL 2. Um eine Meßkette dennoch SIL 2 konform
zu implementieren, kann eine der Komponenten doppelt in Form einer Oder-Schaltung
eingesetzt werden. Alternativ hierzu kann das reguläre Prüfintervall verkürzt
werden.
Für die SIL-Klassifizierung stehen dem Hersteller eines Anlagenmoduls
zwei Methoden zur Verfügung. Für bereits länger im Markt befindliche
Geräte bzw. Module bietet sich die sogenannte „Betriebsbewährtheit"
gemäß IEC 61508 in Verbindung mit IEC 61511 an. Hiernach gelten Komponenten
als betriebsbewährt, die in einer Mindeststückzahl über einen definierten
Zeitraum in gleichem oder zumindest vergleichbarem Einsatzbereich betrieben werden
und als sicher in ihrer Funktion gelten. Die IEC 61511 beziffert die Summe der Einsatzzeit
auf mindestens 30 Mio. Stunden (Gesamtheit aller eingesetzten Komponenten). Die
SIL-Klassifizierung beruht hier auf Erfahrungswerten des Herstellers und der Anwender.
Werden die Kriterien an die Betriebsbewährtheit eingehalten und sind keine
oder statistisch vertretbare passive Fehlfunktionen aufgetreten, so kann der Hersteller
die Komponente als geeignet bis zur Sicherheitsstufe SIL 2 bescheinigen. Basis für
die Methode der Betriebsbewährtheit bildet ein umfangreiches Statistikwesen
über das Ausfallverhalten der Komponenten.
Aufgrund der industriellen Prozeßvielfalt erweist sich die Methode
der Betriebsbewährtheit in der praktischen Umsetzung als problematisch. In
der chemischen Industrie z.B. sind nahezu alle Prozesse unterschiedlich (Mediumdichte,
Viskosität, Druck, Temperatur, Einbaulage, Beständigkeit, Werkstoffe usw.).
Eine Klassifizierung nach IEC 61511 bzw. Betriebsbewährtheit ist nur über
einen längeren Betrachtungszeitraum und nur mit erheblichem Aufwand durchführbar.
Eine Ausnahme hiervon stellt die petrochemischen Industrie dar, in der Prozesse
in der Regel von Werk zu Werk und von Produktionsstätte zu Produktionsstätte
vergleichbar sind; im Branchenvergleich ist eine SIL-Klassifizierung gemäß
IEC 61511 hier erheblich vereinfacht.
Wegen der vorgenannten Schwierigkeiten wählen heute immer mehr
Hersteller die alternative zweite Methode, ihre Module direkt nach IEC 61508 zu
zertifizieren. Bei dieser zweiten Methode handelt es sich um eine umfassende und
sehr detaillierte, teilweise auf der FMEDA (Failure Mode, Effect and Diagnostics
Analysis) basierende Untersuchung von Hard- und Software des Moduls in Verbindung
mit einer Auswertung der Daten von getesteten Modulen.
Für zahlreiche chemische Verfahren ist die Überwachung des
Sauerstoffgehaltes der eingesetzten Fluide entscheidend für die Betriebssicherheit
und/oder die Prozeßkontrolle, die den wirtschaftlichen Erfolg eines Verfahrens
gewährleistet. Dies erfordert eine möglichst genaue Messung des Sauerstoffgehaltes.
In technischen Anwendungen wird der Sauerstoffgehalt eines Fluids
üblicherweise mittels paramagnetischer oder amperometrischer Sensoren gemessen.
Amperometrische Sensoren basieren auf einer elektrochemischen Methode und beinhalten
eine Kathode und eine Anode, die durch eine Elektrolytlösung in Verbindung
stehen (siehe 2). Der Kontakt mit dem zu analysierenden
Fluid erfolgt über eine robuste Polymermembran, die für Sauerstoff durchlässig
ist. Durch eine Spannung erfolgt an der Kathode die Reduktion der O2-Moleküle
zu Hydroxid-Ionen. Die damit verbundene Ladungsverschiebung in dem geschlossenen
Stromkreis wird mit einem Amperemeter gemessen. Die Stromstärke ist unmittelbar
abhängig von der Zahl der O2-Moleküle, die durch Diffusion an die Kathodenoberfläche
gelangen und damit direkt proportional dem Sauerstoff-Partialdruck (pO2) in dem
zu analysierenden Fluid.
Grundsätzlich ist zu beachten, daß mittels amperometrischer
Sensoren der Sauerstoff-Partialdruck gemessen wird. Luft z.B. ist ein Gasgemisch
mit einem Sauerstoffgehalt von ca. 21 Vol.-%. Bei einem gegebenen Luftvolumen unter
dem atmosphärischen Druck von 1013 mbar beträgt der Sauerstoff-Partialdruck
pO2 = 212 mbar (= 21% des Gesamtdrucks). Wenn der Gesamtdruck verdoppelt wird, verdoppelt
sich auch pO2 und damit das Ausgangssignal des amperometrischen Sensors, obwohl
der prozentuale Anteil gleich bleibt. Um bei erhöhtem Druck für die Sauerstoffkonzentration
den korrekten Wert zu erhalten, muß deshalb der Druck mit eingerechnet werden.
Amperometrische Sensoren können mit polarografischen oder galvanischen
Elektroden ausgerüstet sein.
In einem typischen polarografischen Sensor ist eine Silberanode von
einer Edelmetallkathode (Silber, Platin oder Gold) umgeben. Als Elektrolyt wird
bevorzugt KCl-Lösung eingesetzt. Bei polarographischen Elektroden wird die
benötigte Spannung – in der Regel 700 mV – extern mittels einer
Spannungsquelle erzeugt.
Das Reaktionsschema lautet:
Kathode:
Anode:
- 4 Ag + 4 KCl → 4 AgCl + 4 e– + 4 K+
Ein galvanischer Sensor ist einfacher aufgebaut, da er die nötige
Polarisation selbst erzeugt und deshalb keine externe Spannungsquelle benötigt.
Die elektromotorische Kraft einer Anordnung aus einer unedlen Anode (Zink, Blei
oder Cadmium) und einer edlen Kathode (Silber oder Gold) reicht aus, um eine Reduktion
des Sauerstoffs an der Kathode herbeizuführen.
Das Reaktionsschema lautet:
Kathode:
- O2 + 2 H2O + 4 e– → 4 OH–
Anode:
Bei dieser Reaktion wird also im Laufe der Zeit die Anode oxidiert.
Die Sensormembran trennt die Elektrolytlösung von dem zu analysierenden
Fluid und schafft so definierte elektrochemische Bedingungen an den Elektroden im
Sensor. Der Sauerstoffpartialdruck im Sensor hängt wesentlich von der Beschaffenheit
des Sensors ab, z.B. von der Größe der Kathode oder von der Dicke der
Membran. Den Sauerstoffpartialdruck in dem Fluid bestimmen Eigenschaften wie z.B.
die Sauerstoffkonzentration oder die Temperatur. Da der Sensor an der Kathode Sauerstoff
verbraucht, diffundieren Sauerstoffmoleküle von dem Fluid zur Kathode. Die
Druckdifferenz zwischen dem Fluid und der Elektrolytlösung vor der Kathode
bestimmt maßgeblich die Sauerstoffzufuhr. Eine wesentliche Barriere für
den Sauerstoff bilden die Membran und die Schicht aus Elektrolytlösung. Dementsprechend
setzt sich der Diffusionsweg des Sauerstoffs zur Kathode aus folgenden Stationen
bzw. Teilstrecken zusammen:
- (i) dem zu analysierenden (turbulent) vorbeiströmenden Fluid
- (ii) der Membran des Sauerstoffsensors
- (iii) der Elektrolytlösung zwischen Membran und Kathode
Falls es sich bei dem zu analysierenden Fluid um eine Flüssigkeit
handelt, so ist als zusätzliche, zwischen (i) und (ii) angeordnete Teilstrecke
die laminar entlang der Membran fließende Flüssigkeitsschicht zu berücksichtigen.
In Flüssigkeiten bestimmt die Länge dieser Strecke maßgeblich
das Ansprechverhalten des Sensors. Hierbei hängt der Diffusionswiderstand der
laminaren Flüssigkeitsschicht von ihrer Dicke und der Viskosität der Flüssigkeit
ab. Gezieltes Anströmen des Sensors mit der zu analysierenden Flüssigkeit
oberhalb einer Mindestgeschwindigkeit minimiert die Dicke der laminaren Flüssigkeitsschicht
und verhindert, daß eventuelle Schwankungen und Turbulenzen das Sensorsignal
meßbar verfälschen. Die erforderliche Mindestgeschwindigkeit hängt
u.a. von den Sensoreigenschaften ab. Sie liegt z.B. bei Wasser im Bereich von 0,5
cm/s bis 35 cm/s.
Auf der Teilstrecke (ii) bestimmt die Permeabilität der Membran
die Diffusionsgeschwindigkeit. Die Permeabilität gibt an, wie schnell ein Gas
die Membran durchdringen kann und hängt von der Dicke und der Temperatur der
Membran ab. Bei handelsüblichen Sensoren wird die Temperatur der Membran kontinuierlich
gemessen und das Ausgangssignal elektronisch mit dem Temperaturwert kompensiert.
Die Eigenschaften der dünnen Elektrolytschicht (iii) zwischen
Kathode und Membran sind abgesehen von der Temperatur praktisch konstant. Der Einfluß
der Temperatur auf diese Schicht wird bei handelsüblichen Sensoren im Rahmen
der Temperaturkompensation der Membran berücksichtigt.
Bei einem polarografischen Sauerstoff-Sensor wird Sauerstoff bei einer
Spannung bzw. Potentialdifferenz von ca. 0,7 V an der Kathode reduziert. Dieser
Vorgang wird mittels eines elektrischen Kennlinienfeldes, dem sogenannten Polarogramm
charakterisiert (siehe 3). In dem Polarogramm wird
der Strom gegen die angelegte Spannung aufgetragen. Mit steigender Potentialdifferenz
nimmt der Strom zu, um dann über einen gewissen Bereich der Spannung konstant
zu bleiben. In diesem Plateaubereich erfolgt die Reduktion des Sauerstoffs an der
Kathode so schnell, daß die Umsetzung nur durch die Diffusion, d.h. die Zufuhr
von Sauerstoff limitiert ist. Bei weiterer Steigerung der Spannung nimmt der Strom
infolge anderer Reaktionen (Reduktion des Wassers zu Wasserstoff) wieder zu. Somit
ist im Bereich des Plateaus der Strom mit der Sauerstoffmenge korreliert. Der Strom
ist dabei proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs.
Um den Sensor zu justieren, wird der Sensor-Ausgangsstrom bei mindestens
zwei voneinander verschiedenen Werten des Sauerstoff-Partialdruckes gemessen und
hierdurch die Gerade bestimmt, die den linearen Zusammenhang zwischen Sauerstoff-Partialdruck
und Sensor-Ausgangsstrom beschreibt. Für die Justierung werden Eichmedien mit
bekanntem Sauerstoff-Partialdruck verwendet. Alternativ kann lediglich ein Justiermedium
bei verschiedenen Drücken eingesetzt werden.
Auch unter regulären Betriebsbedingungen ist der Ausgangsstrom
eines Sauerstoffsensors einer gewissen Drift unterworfen, die eine regelmäßige
Nachjustierung in Intervallen von typischerweise 3–6 Monaten erfordert. Diese
Drift wird vor allem durch den Verbrauch von Elektrolytlösung verursacht. Zusätzlich
können die zu analysierenden Fluide die Permeabilität der Sensormembran
durch chemisch-physikalische Einwirkung wie z.B. niedergeschlagene Rückstände
verändern und kürzere Justierzyklen bedingen.
Neben den zuvor beschriebenen amperometrischen Sauerstoffsensoren
werden seit kurzem auch optische Sauerstoffsensoren eingesetzt. Das in optischen
Sauerstoffsensoren angewandte Meßprinzip basiert auf einem in ein Trägermaterial
eingearbeiteten fluoreszierenden Farbstoff, der mit kurwelligem Licht angeregt wird.
Beim Übergang aus dem angeregten Zustand in den Ruhezustand emittiert der Farbstoff
langwelliges – zumeist rotes – Licht, das von einer Fotodiode registriert
wird. Diffundiert Sauerstoff in das Trägermaterial, verringert sich die Intensität
des roten Lichtes proportional zur Sauerstoff-Konzentration, zugleich verkürzt
sich die Übergangszeit in den Ruhezustand des Farbstoffs. Neben der Intensität
wird auch die Übergangszeit in Form einer Abkling-Zeitkonstanten oder eines
Phasenwinkels als Meßsignal ausgewertet. Bei der optischen Messung wird kein
Sauerstoff verbraucht, vielmehr steht dieser im Gleichgewicht mit dem Sauerstoff
im analysierten Fluid. Im Trägermaterial findet kein Stoffumsatz statt. blagerungen
auf dem Trägermaterial können jedoch die Sauerstoff-Diffusion bzw. -Konzentration
im Trägermaterial beeinflußen und die Meßergebnisse verfälschen.
Zudem bleicht der Farbstoff langsam aus, wobei ausgebleichter Farbstoff eine Eigenfluoreszenz
aufweist, die die Kennlinie des Sensors verändert. Des weiteren ist das Trägermaterial
aufgrund der Einwirkung des zu analysierenden Fluids gewissen – teilweise
temporären – Veränderungen unterworfen. Derartige Schwankungen
des Trägermaterials können die Abklingzeit des Farbstoffes und damit die
Steilheit des Meßsignals verändern. Schließlich können bestimmte
Gase wie ClO2 und SO2 den Farbstoff „quenchen" und
dadurch die Meßsignale verfälschen. Die vorgenannten Effekte machen für
optische Sensoren – ähnlich wie für amperometrische Sensoren –
eine regelmäßige Justierung erforderlich.
Die DE 195 19 076 A1
offenbart ein Verfahren zur Justierung von Gasanalysatoren, insbesondere Sauerstoffanalysatoren,
bei dem Umgebungsluft als Justiermedium verwendet wird. Es wird vorgeschlagen, mittels
einer Messung am Justiermedium, die Nullpunktverschiebung des Meßsignals
zu ermitteln und damit die Meßwerte zu korrigieren.
Die DE 35 46 409 A1
beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur vorzugsweise selbsttätigen
Justierung von chemischen Sensoren in der Analysenmeßtechnik beispielsweise
O2-, CO2- oder Cl-Sensoren in Flussigkeiten und Gasen. Hierzu wird vorgeschlagen,
den in das Meßmedium eintauchenden Sensor in diesem zu belassen und mittels
einer Pumpe und einer den Sensor umgebenden Glocke, den Sensor mit einem Justiermedium,
wie z.B. Umgebungsluft zu beaufschlagen. Weitere Sensoren für Temperatur und
Druck liefern hierbei Meßwerte, mit denen die tatsächliche Konzentration
des zu messenden Gases im Justiermedium berechnet wird.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des Sauerstoffgehaltes
von Fluiden und zur Justierung von Sauerstoffsensoren erfüllen nicht die Anforderungen
an sicherheitsgerichtete Prozesse und Anlagen.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Messung
und sicherheitsgerichteten Überwachung des Sauerstoff-Partialdruckes und des
Sauerstoffgehaltes von Fluiden bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines automatischen Verfahrens,
das folgende zyklisch wiederholte Schritte umfaßt:
- (a) Anströmen eines Sauerstoff- und eines Drucksensors mit einem sauerstoffhaltigen
Justiermedium mit bekanntem Sauerstoffgehalt bei unterschiedlichen Justierdrücken,
- (b) Messung und Speicherung der in dem Sauerstoff- und dem Drucksensor erzeugten
Sensorsignale,
- (c) Berechnung und Speicherung von Justierparametern aus den gespeicherten Sensorsignalen,
dem Sauerstoffgehalt des Justiermediums und den Justierdrücken nach einem Justieralgorithmus,
- (d) Anströmen des Sauerstoff- und des Drucksensors mit Fluiden,
- (e) Wandlung der Sensorsignale des Sauerstoff- und des Drucksensors in Meßwerte
für den Sauerstoff-Partialdruck und den Sauerstoffgehalt der Fluide mittels
der gespeicherten Justierparameter nach einem Wandleralgorithmus,
- (f) Ausgabe von Alarm- und Steuersignalen, wenn der Sauerstoff-Partialdruck
und/oder der Sauerstoffgehalt der Fluide vorgegebene Werte unter- oder überschreiten,
und
- (g) Wiederholung der Schritte (a) bis (c) nach Ablauf einer vorgegebenen ersten
Zykluszeit, und
- (h) Wiederholung der Schritte (d) bis (f) nach einer vorgegebenen zweiten Zykluszeit,
wobei die zweite Zykluszeit kleiner/gleich der ersten Zykluszeit ist.
Zunächst werden in Schritt (a) der Sauerstoff- und Drucksensor
über geeignete mit einer Pumpe und einem Druckregler verbundene Leitungen wie
z.B. Kunststoffrohre mit dem Justiermedium – bevorzugt Umgebungsluft –
angeströmt. Die elektrischen Sensorsignale werden an eine speicherprogrammierbare
Meßelektronik oder Steuerung (SPS) geleitet und dort gespeichert. Ein im Speicher
der Meßelektronik bzw. SPS hinterlegtes Steuerungsprogramm beinhaltet einen
Justieralgorithmus nach dem aus den gespeicherten Sensorsignalen Justierparameter
berechnet und gespeichert werden. Nach der Bestimmung der Justierparameter schaltet
die SPS mittels Mehrwegeventilen vom Justiermedium auf ein bzw. mehrere zu analysierende
Fluide um. Die von einem Fluid in dem Sauerstoff- und Drucksensor erzeugten Sensorsignale
werden nun anhand der gespeicherten Justierparameter nach einem im Speicher der
Messelektronik bzw. SPS hinterlegten Wandleralgorithmus in den Sauerstoff-Partialdruck
und den Sauerstoffgehalt umgerechnet. Von dem Steuerungsprogramm der SPS werden
die erhaltenen Sauerstoffwerte mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen und bei Über-
bzw. Unterschreitung akustische und/oder visuelle Alarmgeber, wie z.B. Glocken und
Warnleuchten aktiviert und Steuersignale – insbesondere zum Stoppen/Abschalten
einer Produktionsanlage – ausgegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Zykluszeit
für die Schritte (a) bis (c) – und somit die zweite Zykluszeit für
die Schritte (d) bis (f) – so bemessen, daß die gefährliche Versagenswahrscheinlichkeit
(PFD) kleiner als 10–2 und bevorzugt kleiner als 10–3
ist. Hierdurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die sicherheitsgerichtete
Überwachung des Sauerstoff-Partialdruckes und des Sauerstoffgehaltes von Fluiden
gemäß SIL 2 und SIL 3. Typische Werte für die erste Zykluszeit liegen
im Bereich von einigen Minuten bis zu 48 Stunden, wobei die Dauer des Justiervorgangs
lediglich wenige Minuten beträgt. Die zweite Zykluszeit für die Schritte
(d) bis (f), in denen der Sauerstoffgehalt der Fluide überwacht wird, ist kleiner/gleich
der ersten Zykluszeit und nach unten nur durch die Meßelektronik, insbesondere
durch die Ansprechzeit des Sensors beschränkt. Dementsprechend kann die zweite
Zykluszeit weniger als eine Minute betragen, so daß die Messung und Überwachung
des Sauerstoffgehaltes – abgesehen von dem Justiervorgang – quasi-kontinuierlich
erfolgt.
Wird während eines mehrfachen Durchlaufes der Schritte (d) bis
(f) die Fluidströmung aufrecht erhalten, so befindet sich der Sauerstoffsensor
nach dem ersten Durchlauf des Schrittes (d) in stabilem Betriebszustand. Somit kann
im zweiten und allen nachfolgenden Durchläufen der Schritte
(d) bis (f) die Ansprechzeit des Sauerstoffsensors unberücksichtigt bleiben
und die zweite Zykluszeit reduziert werden auf den Taktzyklus der SPS, der typischerweise
im Bereich von unter einer bis zu einigen Millisekunden liegt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung
und sicherheitsgerichteten Überwachung des Sauerstoff-Partialdruckes und des
Sauerstoffgehaltes von Fluiden bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, bestehend aus:
Leitungen 20 zur Leitung von Fluiden; einem oder mehreren mit Aktoren
4, 7 ausgerüsteten Mehrwegeventilen 3,
6; einer Druckvorrichtung 9; einem Drucksensor 10; einem
Sauerstoffsensor 11; einer speicherprogrammierbaren Meßelektronik
12; einem Druckregler 13; einer ersten und zweiten Flammensperre
5, 16; einem Durchflußsensor 15; einer speicherprogrammierbaren
Steuerung 17; einer Ausgabeeinheit 18; und einer Bedieneinheit
19. In Weiterbildung der Erfindung erfüllt die speicherprogrammierbare
Steuerung 17 die Sicherheitsanforderungen gemäß SIL 2 und bevorzugt
gemäß SIL 3.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
4 und 5 näher erläutert.
Es zeigen:
4 ein beispielhaftes Ablaufschema und
5 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
In 4 sind die Schritte des erfindungsgemäßen
Verfahrens in vereinfachender Weise den Funktionsblöcken "Justierung" und "Messung"
zugeordnet. Die beiden Funktionsblöcke werden aufeinander folgend mit vorgegebener
Zykluszeit wiederholt ausgeführt. 4 illustriert
die Ermittlung der Justierparameter basierend auf der in der Praxis üblichen
Annahme eines linearen Zusammenhangs zwischen dem Sensorsignal des Sauerstoffsensors
und dem Sauerstoff Partialdruck des Justiermediums. Zur Justierung wird der Sauerstoffsensor
mit einem Justiermedium mit bekanntem Sauerstoffgehalt gO2 bei zwei unterschiedlichen
Drücken D1 und D2 angeströmt. Die den Drücken
D1 und D2 entsprechenden Werte des Sauerstoff-Partialdruckes
berechnen sich dann gemäß pO21/2 = D1/2·gO2.
Aus den zugehörigen Sensorsignalen S1/2 werden die Justierparameter
K1/2 nach folgenden einfachen Formeln bestimmt:
K2 = (pO22 – pO21)/(S2 –
S1)
K1 = pO21 – S1·K2
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Umgebungsluft
mit gO2 = 21 Vol-% als Justiermedium verwendet.
Neben der Bestimmung der Justierparameter umfaßt der Funktionsblock
Justierung auch die Überwachung der Ansprechzeit des Sauerstoffsensors. Die
Ansprechzeit beziffert das Zeitintervall zwischen dem Beginn der Anströmung
des Sauerstoffsensors mit einem sauerstoffhaltigen Fluid – im vorliegenden
Fall das Justiermedium – und der Stabilisierung des Sensorsignals. Wenn die
Ansprechzeit bestimmte vorgegebene Werte unter- oder überschreitet, wird ein
Alarm ausgelöst.
Nach abgeschlossener Justierung, d.h. Bestimmung von K1/2
wird der Sauerstoffsensor mit einem oder sequentiell mit mehreren Fluiden mit unbekanntem
Sauerstoffgehalt angeströmt und aus den jeweiligen Sensorsignalen S und D des
Sauerstoff- und Drucksensors der Sauerstoff-Partialdruck pO2 und der Sauerstoffgehalt
gO2 des Fluids berechnet gemäß den Formeln:
pO2 = K1 + K2·S
gO2 = pO2/D
Anstelle des soeben beschriebenen Beispiels der linearen Justierung
anhand von zwei Justierdrücken D1/2 können Sauerstoffsensoren
mit komplexen nichtlinearen Kennlinien in ähnlicher Weise justiert werden.
Hierzu werden Justierparameter K1, ...Kn bei drei und mehr
Justierdrücken D1, ... Dn ermittelt.
5 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Messung und Überwachung des Sauerstoff-Partialdruckes und des Sauerstoffgehaltes
von Fluiden. Die fluidführenden Komponenten der Vorrichtung sind im wesentlichen
in Reihe angeordnet und durch Leitungen 20 miteinander verbunden. Die Leitungen
20 sind z.B. Rohre oder Schläuche aus Metall oder Kunststoff, insbesondere
aus Teflon. Die Fluide 1, 2, bei denen es sich um Flüssigkeiten
oder Gase handelt, werden sequentiell bzw. abwechselnd durch ein mit einem Aktor
4 ausgerüstetes Mehrwegeventil 3 zugeführt. Der Aktor
4 wird von der speicherprogrammierbaren Steuerung 17 angesteuert
und schaltet das Mehrwegeventil 3 und damit den zugeführten Fluidstrom
zwischen Fluid 1 und 2 um. Eine Flammensperre 5 und ein
weiteres mit einem Aktor 7 ausgestattetes Mehrwegeventil 6 ist
dem Mehrwegeventil 3 nachgeordnet. Bei den Aktoren 4,
7 handelt es sich z.B. um pneumatische oder elektrische Linear- oder Drehantriebe.
Das Mehrwegeventil 6 regelt die Zuführung eines sauerstoffhaltigen
Justiermediums 8. Der Aktor 7 wird ebenfalls von der speicherprogrammierbaren
Steuerung 17 angesteuert und schaltet das Mehrwegeventil 6 und
damit den zugeführten Fluidstrom zwischen dem Justiermedium 8 und
dem Fluid 1 bzw. 2 um. Das zugeführte Fluid durchströmt
bzw. beaufschlagt sodann eine Druckvorrichtung 9, einen Drucksensor
10, einen mit einer Meßelektronik 12 ausgestatteten Sauerstoffsensor
11 und einen Druckregler 13, wobei die Komponenten 9
bis 13 von der speicherprogrammierbaren Steuerung 17 angesteuert
werden oder ein Signal an diese übermitteln. Bevorzugt handelt es sich bei
der Druckvorrichtung 9 um eine Rotations- oder Membranpumpe. Zur Justierung
werden in dem zwischen der Druckvorrichtung 9 und dem Druckregler
13 befindlichen Fluid vorgegebene Justierdrücke erzeugt. In Fortbildung
der Erfindung umfaßt der Druckregler 13 ein Stromventil und ein Halteventil,
wobei das Strom- und Halteventil parallel zueinander angeordnet sind. Das Stromventil
ist mit der speicherprogrammierbaren Steuerung 17 verbunden. Basierend
auf einem Regelalgorithmus und dem Sensorsignal des Drucksensors 10 steuert
die speicherprogrammierbare Steuerung 17 die Druckvorrichtung
9 und das Stromventil des Druckreglers 13 derart an, daß
sich im Fluid ein vorgegebener Druck einstellt. Nach dem Druckregler 13
durchströmt das Fluid einen Durchflußsensor 15 und eine zweite
Flammensperre 16 und wird weitergeleitet zu Rezyklierung, Reinigung oder
Entsorgung 21. Das Ausgangssignal des Durchflußsensors 15
wird an die speicherprogrammierbare Steuerung 17 ausgegeben, die bei Unterschreiten
einer kritischen Durchflußmenge einen Alarm auslöst und ggf. die Produktionsanlage
stoppt/abschaltet.
Die Flammensperren 5, 16 sind filterähnlich
und bestehen typischerweise aus einer Vielzahl von parallel zur Strömungsrichtung
angeordneten Kapillarröhren, die z.B. durch spiralförmige Wicklung von
gewellten Metallbändern gebildet werden. In einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist zur Abscheidung von flüssigen Bestandteilen aus gasförmigen
Fluiden zwischen dem Druckregler 13 und dem Durchflußsensor
15 ein Kondensatfänger 14 angeordnet. Zur Begrenzung des
Druckes ist der Kondensatfänger 14 mit einem Druckschalter ausgerüstet.
Die speicherprogrammierbare Steuerung 17 ist mit einer Ausgabeeinheit
18 und einer Bedieneinheit 19 verbunden. Die Ausgabeeinheit
18 umfaßt Mittel zur visuellen und akustischen Darstellung von Meßergebnissen
und Betriebszuständen, wie z.B. Bildschirme, Leuchten, Alarmglocken und dergleichen.
Die Bedieneinheit 19 beinhaltet üblicherweise eine Tastatur und ggf.
eine Computermaus oder einen Trackball.
In Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfüllt
die speicherprogrammierbare Steuerung 17 die Sicherheitsanforderungen gemäß
SIL 2 und bevorzugt gemäß SIL 3.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen
Anordnungen in denen:
das Sensorsignal des Drucksensors 10 an die Meßelektronik
12 geleitet wird;
die Meßelektronik 12 teilweise oder vollständig ein integraler
Bestandteil der speicherprogrammierbaren Steuerung 17 ist;
der Sauerstoffsensor (12) ein polarografischer, galvanischer oder optischer
Sauerstoffsensor ist; und
der Sauerstoffsensor (12) mit einem Temperatursensor und einer elektronischen
Schaltung zur Temperaturkompensation des Sensorsignals ausgerüstet ist.
