BR102020009164A2

BR102020009164A2 - processo para a determinação de um volume de fluxo de um fluido transportado por uma bomba

Info

Publication number: BR102020009164A2
Application number: BR102020009164-6A
Authority: BR
Inventors: Roland Maurischat; Oliver Troßmann; Philipp Rossow
Original assignee: Leistritz Pumpen Gmbh
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2020-12-29
Also published as: US20200362839A1; DE102019112792A1; CN111947900A; US11512697B2; EP3739212A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um processo para a determinação de um volume de fluxo (21) de um fluido transportado por uma bomba (1), sendo que o volume de fluxo (21) é determinado em função de uma informação de bomba (17) predefinida e dependente de uma geometria de bomba; de uma informação de número de rotações (41) correlacionada com o número de rotações (13) da bomba (1), e de uma informação de pressão (42) correlacionada com uma pressão diferencial (20) na bomba (1).

Description

PROCESSO PARA A DETERMINAÇÃO DE UM VOLUME DE FLUXO DE UM FLUIDO TRANSPORTADO POR UMA BOMBA

[001] A presente invenção refere-se a um processo para a determinação de um volume de fluxo de um fluido transportado por uma bomba. Além disso, a invenção refere-se a uma bomba para o transporte de um fluido.

[002] Bombas, especialmente bombas de deslocamento, são empregadas em uma série de campos de aplicação, onde um volume de fluxo transportado através da bomba deva ser monitorado, respectivamente controlado. Para isso, pode-se usar um contador de fluxo disposto no duto de entrada ou no duto de saída da bomba. No entanto, isso pode aumentar a complexidade e o consumo de espaço da bomba e, dependendo do tipo usado de contador de fluxo, isso pode reduzir a eficácia da bomba eventualmente.

[003] Por conseguinte, a invenção tem como objetivo apresentar um processo aperfeiçoado em relação a isso para a determinação de um volume de fluxo através de uma bomba.

[004] Esse objetivo é alcançado, de acordo com a invenção, através de um processo para a determinação de um volume de fluxo de um fluido transportado por uma bomba, no qual o volume de fluxo é determinado em função de uma informação de bomba predefinida e dependente de uma geometria de bomba; de uma informação de número de rotações correlacionada com o número de rotações da bomba, e de uma informação de pressão correlacionada com uma pressão diferencial na bomba.

[005] De acordo com a invenção, propõe-se, assim, determinar um volume de fluxo diretamente a partir de parâmetros operacionais da bomba e de informações referentes a uma geometria de bomba conhecida. Nesse sentido, sabe-se que bombas de deslocamento, como, por exemplo, bombas de fuso helicoidais, transportariam um determinado volume de fluido por cada ciclo de trabalho, ou seja, por cada rotação, por exemplo, se não houvesse nenhuma fenda interna. No entanto, em muitos casos de aplicação, a desconsideração de fendas internas e, consequentemente, de um fluxo de fluido sob pressão contra a direção de transporte dentro da bomba leva a grandes erros inaceitáveis. No âmbito da invenção constatou-se que através da consideração adicional da informação de pressão é possível determinar o volume de fluxo com uma precisão consideravelmente melhor, e isso faz com que, em uma grande parte dos casos de aplicação, se possa prescindir de uma determinação separada do volume de fluxo através de um contador de fluxo separado.

[006] Como ainda será explicado mais tarde com maior precisão, nesse caso é possível modelar a influência da geometria de bomba sobre o vazamento e, consequentemente, sobre o volume de fluxo por meio de poucos parâmetros. Consequentemente, o volume de fluxo pode ser determinado com pouco esforço de cálculo e, desse modo, por exemplo, por um dispositivo de controle da bomba de qualquer forma presente. Além disso, as informações relevantes de bomba de uma bomba podem ser determinadas com esforço relativamente pequeno, como, por exemplo, no âmbito da produção, respectivamente no âmbito do controle de qualidade.

[007] A informação de bomba pode descrever um volume de transporte teórico da bomba por cada rotação da bomba, respectivamente pode viabilizar a determinação desse volume de transporte teórico. Complementarmente ou alternativamente, a informação de bomba pode abranger pelo menos uma informação que influencie o desempenho volumétrico da bomba, ou seja, especialmente informações quanto a medidas de fendas, respectivamente quanto a um vazamento devido a fendas na bomba. A informação de bomba pode ser disponibilizada pelo fabricante, por exemplo, e abranger informações que se situem no âmbito da configuração, respectivamente da produção da bomba. Complementarmente ou alternativamente, a informação de bomba, respectivamente uma parte da informação de bomba pode ser determinada através de medições de calibragem na bomba.

[008] O número de rotações pode ser determinado, por exemplo, através de um sensor de número de rotações, respectivamente através de um sensor de ângulo de rotação, na bomba, respectivamente em uma unidade de acionamento da bomba. Em muitos casos de aplicação, o número de rotações da bomba é controlado ou regulado, aliás, ativamente através de um dispositivo de controle da bomba. Nesses casos, aliás, é conhecido um número de rotações teórico, que pode ser avaliado diretamente como informação de número de rotações. Também é possível detectar vibrações de componentes da bomba e a partir disso tirar conclusões quanto ao número de rotações ou similar. Em alguns casos de aplicação, o número de rotações também pode ser suposto como sendo constante.

[009] A informação de pressão pode ser determinada especialmente através de um ou mais sensores de pressão, que podem ser parte da bomba ou de um circuito de fluido acionado pela bomba. A pressão diferencial pode indicar uma diferença de pressão entre a saída de fluido e a entrada de fluido da bomba. No caso de uma pressão diferencial crescente, o vazamento aumenta e a quantidade transportada diminui com um mesmo número de rotações da bomba. Dependendo do caso de aplicação, também pode ser possível supor como sendo constante a pressão diferencial na bomba.

[0010] Pelo menos uma grandeza, da qual dependa o volume de fluxo, é determinada no âmbito do processo, especialmente mediante o emprego de sensores pelo lado da bomba ou externos. A pelo menos uma grandeza determinada pode ser a informação de número de rotações e/ou a informação de pressão, embora também seja possível determinar por sensor outros parâmetros operacionais, como, por exemplo, propriedades do fluido, uma temperatura do fluido ou similar.

[0011] As demais explicações partem, como exemplo, do fato de que uma bomba de deslocamento, especialmente uma bomba de fuso helicoidal, é empregada como bomba. De preferência, como bomba de fuso helicoidal pode ser empregada uma bomba de três fusos roscados, embora, alternativamente, também possa ser empregada uma bomba de dois fusos roscados. No entanto, as explicações que se seguem também podem ser transferidas a outras bombas, especialmente outras bombas de deslocamento.

[0012] Além disso, nas formas de execução que se seguem parte-se do fato de que o fluido pode ser descrito aproximadamente como incompressível, no caso da pressão diferencial que ocorre na bomba. Também no caso de se desprezar a compressibilidade, em uma série de casos de aplicação é possível obter precisões suficientes da determinação do volume de fluxo. Desprezando a compressibilidade, o processo de acordo com a invenção pode ser executado com pouco esforço de cálculo e, consequentemente, pode ser implementado sem problemas em dispositivos de controle usuais de bombas, como microcontroladores, por exemplo. Além disso, a informação de bomba requerida pode ser determinada de modo relativamente fácil. No entanto, nas etapas relevantes de cálculo, também é possível levar em consideração adicionalmente a compressibilidade, o que pode levar a uma maior precisão do volume de fluxo determinado, especialmente no caso de uma pressão diferencial muito elevada na bomba no caso de um transporte de gases.

[0013] O volume de fluxo pode ser calculado na medida em que uma corrente volumétrica de vazamento, determinada em função da informação de pressão, é subtraída de uma corrente volumétrica de transporte teórica, determinada em função de um volume de bomba predefinido através da informação de bomba e da informação de número de rotações. Em outras palavras, no processo de acordo com a invenção, a corrente volumétrica de vazamento pode ser empregada como correção da corrente volumétrica de transporte obtida teoricamente com base no volume de bomba e no número de rotações. A corrente volumétrica de vazamento pode depender, especialmente de modo adicional, do volume de bomba e/ou de uma geometria de fenda, sendo que quanto a isso podem ser disponibilizados parâmetros como parte da informação de bomba. De preferência, na determinação da corrente volumétrica de vazamento se leva em consideração pelo menos uma informação de fluido referente ao fluido transportado, especialmente a sua viscosidade e/ou densidade.

[0014] No processo de acordo com a invenção, como informação adicional pode ser detectada uma temperatura e/ou uma viscosidade e/ou uma densidade do fluido e/ou uma corrente de serviço e/ou um momento de eixo da bomba, sendo que o volume de fluxo e/ou a corrente volumétrica de vazamento são determinadas em função da informação adicional. A determinação das grandezas mencionadas ou pelo menos de partes das grandezas mencionadas pode ser efetuada através de um sistema sensor pelo lado da bomba e/ou externo a bomba.

[0015] A corrente volumétrica de vazamento pode depender especialmente da viscosidade e da densidade do líquido. Através de uma análise dimensional semiempírica, para a corrente volumétrica de vazamento Ql pode ser apresentada a seguinte relação:

[0016] Nesse caso, as grandezas Q+L e δp+ são grandezas sem dimensão, que estão alocadas à corrente volumétrica de vazamento q+l e à pressão diferencial Ap na bomba. Além disso, essas randezas dependem da viscosidade cinemática v e da densidade p do fluido e do volume de bomba V. Através do uso de grandezas dimensionais, a equação (1) descreve a correlação entre uma corrente volumétrica de vazamento específica Q+L e uma pressão diferencial específica δp+, que é independente da viscosidade e da densidade do líquido e do volume de bomba. Isso significa que essa correlação, tão logo tenham sido descobertos parâmetros correspondentes a, b e Ψ, é válida independentemente da viscosidade e da densidade do fluido e do volume de bomba. Uma equação (1) uma vez encontrada pode ser usada, portanto, para diferentes fluidos e, até certo grau, também para diferentes bombas.

[0017] Nesse caso, os parâmetros q, b e Ψ podem ser definidos através de medições de calibragem na bomba a ser usada. Isso será explicado mais precisamente mais tarde.

[0018] Para algumas das informações adicionais mencionadas pode ser vantajoso que elas sejam detectadas por sensor não diretamente, pois um sistema sensor correspondente pode ser relativamente dispendioso. Em vez disso, elas podem ser determinadas como base em outros parâmetros operacionais que podem ser detectados mais facilmente. Em especial, no caso de se usar um fluido conhecido, a densidade e/ou a viscosidade do fluido podem ser predefinidas em função da temperatura, como, por exemplo, na forma de uma tabela look-up ou de uma correlação matemática conhecida. Isso possibilita, por exemplo, que em vez de se usar um viscosímetro caro, seja usada uma detecção de temperatura a ser implementada com relativa facilidade, a qual, aliás, é prevista frequentemente em circuitos de fluidos.

[0019] Um momento de eixo pode ser detectado diretamente, por exemplo, através de um sensor de momento de rotação. Alternativamente, também é possível considerar o momento de eixo como momento motor de um motor de acionamento. Se for empregado um motor elétrico, o momento motor pode ser determinado, por exemplo, em função da corrente fornecida, respectivamente em função da potência fornecida, e do número de rotações.

[0020] Se tiverem sido definidos momentos de eixo, então, a partir disso será possível determinar também uma viscosidade do fluido. Desprezando-se a compressibilidade do fluido e, portanto, o trabalho de compressão, então para o momento de eixo Ms aplica-se a seguinte relação:

[0021] Nesse caso, o primeiro termo descreve a contribuição do momento de rotação, que é requerido para o transporte do fluido, e o segundo momento Mmh descreve as perdas mecânicas e hidráulicas. No entanto, de acordo com a relação

estas dependem da viscosidade cinemática. Os pré-fatores R podem ser definidos através de medições de calibtragem, respectivamente de considerações teóricas ou similares. n é o número de rotações da bomba, respectivamente do eixo. As demais grandezas já foram abordadas anteriormente. Sendo conhecidos os demais parâmetros, então, consequentemente, a partir do momento de eixo Ms será possível calcular a viscosidade v.

[0022] Pode ser empregado um sensor de pressão e/ou pelo menos um sensor de força, que detecta uma força atuante sobre um componente da bomba, especialmente sobre um mancal, a fim de se determinar a informação de pressão. Em especial, podem ser usados dois sensores de pressão, um dos quais mede uma pressão em um duto que fornece fluido à bomba e um outro mede uma pressão em um duto que conduz o fluido para fora da bomba. A partir dessas duas pressões é possível determinar a pressão diferencial na bomba e, consequentemente, a informação de pressão, através do cálculo da diferença. Alternativamente, é possível usar um sensor de pressão diferencial, que esteja acoplado fluidicamente com um volume antes e depois da bomba, para se determinar diretamente a diferença de pressão. Em especial, no caso de bombas de fuso helicoidais, uma pressão diferencial na bomba produz, além disso, uma força sobre cada um dos fusos roscados. Consequentemente, a informação de pressão também pode ser determinada na medida em que se meça uma força sobre um mancal de um desses fusos roscados.

[0023] Através de um sensor de vibrações é possível detectar uma vibração de pelo menos um componente da bomba, sendo que a informação de número de rotações é determinada em função de dados de sensor do sensor de vibrações. Já um pequeno desbalanceamento de peças em rotação de uma bomba, como, por exemplo, fusos roscados, levam a vibrações que possuem componentes de frequência acentuados no caso de pelo menos um múltiplo inteiro do número de rotações. No caso de bombas de fusos helicoidais, ocorrem tipicamente máximos de vibração em uma frequência que corresponde ao dobro do número de rotações. Frequências correspondentes podem ser identificadas, por exemplo, na medida em que um sinal de vibração, especialmente depois de uma digitalização, seja processado para se identificar componentes de frequência correspondentes. Por exemplo, uma distância entre respectivamente duas ultrapassagens de um valor limite por parte do sinal pode ser identificada; fortes componentes de frequência podem ser identificados através de uma autocorrelação ou é possível executar uma transformação de Fourier do sinal. A vantagem no uso de um sensor de vibrações é que para isso não é preciso intervir na mecânica da bomba, pois vibrações correspondentes em quase todos os componentes, por exemplo na caixa de bomba, podem ser captadas.

[0024] De preferência, a informação de bomba descreve um volume de bomba que indica um volume de transporte teórico por cada rotação da bomba. Por volume de transporte teórico por cada rotação entende-se aquele volume que seria transportado em uma rotação da bomba, se não surgisse nenhum vazamento interno na bomba, ou seja, se todas as fendas da bomba fossem absolutamente vedadas a fluidos. O volume de bomba, respectivamente o volume de transporte teórico, pode ser determinado a partir de uma geometria conhecida da bomba, que seja definida, por exemplo, no âmbito da configuração da bomba ou que seja determinada com base na medição dos componentes de bomba. Alternativamente, dentro do processo ou em uma etapa preliminar, pode ser possível determinar o volume geométrico da bomba a partir da quantidade de transporte efetiva. Por exemplo, pode-se executar uma série de medições com diferentes pressões diferenciais na bomba. Já que a perda cai com uma pressão diferencial em queda na bomba, então a série de medições pode ser extrapolada até uma pressão diferencial de 0, fazendo com que o volume de transporte efetivamente medido se aproxime do volume de transporte teórico.

[0025] Para o cálculo do volume de fluxo, respectivamente da corrente volumétrica de vazamento são possíveis vários enfoques. No caso mais simples, é possível executar medições de calibragem para uma determinada bomba ou para um determinado grupo de bombas semelhantes, sendo que será medido o volume de fluxo, respectivamente a corrente volumétrica de vazamento, para uma série de conjuntos de parâmetros. Por exemplo, podem ser executadas medições para diferentes pressões diferenciais e números de rotações. Os valores de medição resultantes podem ser usados para implementar uma tabela look-up multidimensional, de tal modo que, a partir de determinados parâmetros, o volume de fluxo, respectivamente a corrente volumétrica de vazamento, atualmente presentes possa ser lido a partir dessa tabela, respectivamente possa ser determinado através de interpolação a partir dessa tabela. Alternativamente, com base nos valores de medição, também é possível determinar uma correlação matemática através de análise de regressão, por exemplo, que pode ser usada, então, para determinar o volume de fluxo, respectivamente a corrente volumétrica de vazamento a partir desses parâmetros.

[0026] A princípio é possível usar esses dados de medição para treinar um processo de aprendizagem de máquina, como uma rede neuronal, por exemplo. O treinamento pode ser efetuado, por exemplo, através de uma Back Propagation of Error, isto é, a rede neuronal poder ser treinada de tal modo que, com os parâmetros servindo de dados de entrada, ela determine com a maior precisão possível os volumes de fluxo correspondentes, respectivamente as correntes volumétricas de vazamento correspondentes. Em princípio, processos correspondentes do aprendizado de máquina são conhecidos pelo estado da técnica e não precisam ser explicados detalhadamente.

[0027] Os enfoques descritos podem ser concretizados, respectivamente, para uma bomba individual ou para famílias de bombas. Através do uso de parâmetros adicionais, como de um tipo de bomba ou do volume de bomba, por exemplo, também é possível, no entanto, empregar uma tabela look-up em comum, respectivamente uma correção matemática em comum, respectivamente um processo em comum treinado através de aprendizado de máquina, para se determinar volumes de fluxo, respectivamente correntes volumétricas de vazamento para diferentes bombas, respectivamente diferentes tipos de bomba.

[0028] Os processos até aqui explicados requerem que seja explorado todo o âmbito de parâmetros dos parâmetros de entrada, a partir do quais se pretende determinar o volume de fluxo, respectivamente a corrente volumétrica de vazamento, a fim de se determinar dados de medição iniciais. Em especial, se forem empregados relativamente muitos parâmetros de entrada e, por exemplo, se for caracterizada em conjunto uma série de bombas ou tipos de bomba, serão necessárias, portanto, séries de medição muito custosas. Para evitar isso são concebíveis diferentes enfoques.

[0029] Nesse sentido, pode-se construir um modelo físico da bomba, no qual a respectiva bomba seja modelada como diagrama de circuitos hidráulicos. Nesse caso, às fendas que surjam podem ser associados diferentes tipos de fendas. Tipicamente, é suficiente diferenciar cerca de 10 tipos diferentes de fendas, que possam ser descritos em parte analiticamente e em parte semianaliticamente. Os parâmetros do modelo podem ser determinados através de uma medição exata da bomba real. Alternativamente, também é possível modificar planejadamente fendas individuais, para determinar a influência delas sobre o volume de fluxo, respectivamente sobre a corrente volumétrica de vazamento. A modelagem física de bombas, bem como algumas classes de fendas, estão descritas, por exemplo, na publicação Corneli, T.; Ρreuβ, N.; Tβmann, O.; Pelz, P. F.: “Experimental studies on the volumetric efficiency of triple screw pumps.” In: International VDI Conference "Screw Machines 2014", 2324 de setembro, 2014, Dortmund.

[0030] Particularmente de preferência, no entanto, no processo de acordo com a invenção usa-se um modelo de equivalência, que reduz a construção relativamente complexa de uma bomba a alguns parâmetros a serem considerados. Um modelo de equivalência desse tipo pode ser determinado, especialmente, através de uma análise dimensional, sendo que através de uma definição correspondente do modelo é possível separar os parâmetros do fluido, ou seja, especialmente a viscosidade v e a densidade p, bem como o volume de bomba V em relação a outros parâmetros de modelo a serem determinados empiricamente. Um modelo de equivalência desse tipo já foi apresentado acima como equação (1). Como parâmetros que podem depender potencialmente da geometria de bomba permanecem nesse caso os parâmetros a, b, Ψ e V.

[0031] Consequentemente, no processo de acordo com a invenção, é possível que para a determinação do volume de fluxo e/ou da corrente volumétrica de vazamento, a geometria de bomba seja descrita através de quatro parâmetros no máximo. Em outras palavras, o volume de fluxo, respectivamente a corrente volumétrica de vazamento, é determinado em função de no máximo quatro parâmetros referentes à geometria de bomba. Nesse caso, um dos parâmetros pode descrever o volume de bomba, respectivamente o volume de transporte teórico por cada rotação da bomba, sendo que, de preferência, os demais parâmetros são grandezas sem dimensão, independentes desse volume. Na equação acima, trata-se dos parâmetros a, b e Ψ. A quantidade de parâmetros pode ser ainda mais reduzida, na medida em que o parâmetro a’ seja definido da seguinte maneira:
(4) a'= a · Ψ3b

[0032] Consequentemente, a corrente volumétrica de vazamento específica q+l depende exclusivamente da pressão diferencial específica δp+ e dos parâmetros a’ e b. Os parâmetros a’ e b podem ser determinados no âmbito de medições de calibragem, na medida em que a corrente volumétrica de vazamento específica q-l é registrada, de modo algoritmicamente duplo, contra a pressão diferencial específica δp-. Abstraindo-se erros de medição, todos os valores de medição devem se situar sobre uma reta, sendo que o parâmetro b do aclive dessa reta e o parâmetro a’ correspondem à seção axial Y.

[0033] No âmbito dos pré-testes constatou-se que para bombas diferentes do mesmo tipo, embora surpreendentemente também para bombas de tipos diferentes, como bombas de pistão, bombas helicoidais excêntricas, bombas helicoidais de dois fusos, por exemplo, é possível empregar o mesmo parâmetro b, como 0,7, por exemplo. Portanto, a geometria de bomba pode inclusive ser descrita através de apenas dois parâmetros, a saber, o volume de bomba V e o parâmetro a’, sendo que a’ depende, especialmente, das fendas existentes na bomba. A divisão da variável a’ nas variáveis a e Ψ na equação original possibilita que Ψ seja definido como medida de fenda relativa, sendo que para uma bomba selecionada é possível ter Ψ = 1, e a variável a pode ser escolhida correspondentemente. A descrição da geometria de fenda pode ser feita, portanto, tão somente através do parâmetro Ψ.

[0034] Pelo menos um dos parâmetros que descrevem a geometria de bomba pode ser determinado através de avaliação de dados de medição de pelo menos duas medições de calibragem, que sejam executadas com pressão diferencial diferente uma da outra na bomba. Em especial, mediante a predefinição do volume de bomba é possível executar exatamente duas medições de calibragem, para determinar os parâmetros acima explicados. Isso é facilmente possível devido à correlação linear acima explicada da corrente volumétrica de vazamento específica e da pressão diferencial específica em uma exposição algorítmica dupla.

[0035] Em função da informação de número de rotações e da informação de pressão e/ou da informação adicional e/ou da corrente volumétrica de vazamento e/ou do volume de fluxo, especialmente em função da evolução temporal da informação de número de rotações e/ou da informação de pressão e/ou da informação adicional e/ou da corrente volumétrica de vazamento e/ou do volume de fluxo, é possível determinar uma informação de desgaste que indique se um desgaste da bomba alcançou ou ultrapassou um valor limite predefinido e/ou indique uma intensidade do desgaste e/ou descreva uma alteração da geometria de bomba ou da informação de bomba devido ao desgaste. Consequentemente, no âmbito do processo de acordo com a invenção é possível constatar facilmente um desgaste da bomba para se identificar a tempo uma substituição aconselhável da bomba, por exemplo. Alternativamente ou complementarmente, é possível levar em consideração a informação de desgaste, para corrigir uma determinação do fluxo em função da informação de desgaste e, nesse caso, modificar especialmente a informação de bomba.

[0036] No caso mais simples, o volume de fluxo efetivo ou a corrente volumétrica de vazamento efetiva pode ser medido e comparado com um valor determinado para isso no âmbito do processo de acordo com a invenção. Desvios acentuados podem indicar um desgaste da bomba. Em especial, uma medição desse tipo pode ser executada para diferentes pressões diferenciais para, conforme explicado acima, corrigir pelo menos um parâmetro que descreva a geometria de bomba, respectivamente para defini-lo de novo.

[0037] De preferência, no entanto, a determinação da informação de desgaste deve ser efetuada sem que ocorra uma medição direta do volume de fluxo, respectivamente da corrente volumétrica de vazamento. Para isso, no caso mais simples, um volume de fluxo determinado, respectivamente uma corrente volumétrica de vazamento determinada, poderia ser comparado com um valor limite, respectivamente com pelo menos um valor anteriormente determinado, para identificar uma redução do volume de fluxo, respectivamente um aumento da corrente volumétrica de vazamento em condições constantes. No entanto, os enfoques particularmente simples explicados acima para a determinação do volume de fluxo não levam em consideração, inicialmente, uma alteração da geometria de bomba devido a um desgaste, de tal modo que eles não são apropriados para identificar um desgaste desse modo.

[0038] Para se poder identificar um desgaste também no caso dos enfoques simples mencionados para a determinação de volume de fluxo, é possível avaliar outros indícios de um desgaste. Para isso, pode-se avaliar especialmente um valor atual, respectivamente uma evolução temporal do momento de eixo Ms. Conforme já foi explicado acima quanto à equação (2), o momento de eixo abrange um momento de perda mecânico-hidráulico Mmh, que já foi apresentado como equação (3). Um desgaste da bomba pode ter especialmente dois efeitos. Um desgaste de mancais pode aumentar uma fricção em mancais da bomba e, consequentemente, especialmente modificar o parâmetro R∆p. Um aumento de fendas devido a fenômenos de desgaste ou uma obstrução de fendas devido a impurezas leva a uma variação da medida de fenda Ψ. Portanto, alterando-se o momento de eixo, sendo constantes os parâmetros, isso aponta para um desgaste da bomba. Para identificar isso, é possível, por exemplo, indicar um respectivo valor limite, para um conjunto de parâmetros determinado ou para vários destes com os quais a bomba pode ser operada, sendo que uma ultrapassagem para cima ou para baixo do respectivo valor limite pelo momento de eixo indica uma ocorrência de desgaste. Para se evitar identificações erradas, no que se refere ao momento de eixo é possível aqui levar em consideração um valor médio ou um valor mediano para um espaço de tempo de detecção com várias detecções de momento de eixo. Uma comparação com valores limites correspondentes pode ser considerada como compensação de referência.

[0039] Alternativamente, pode-se considerar a evolução temporal do momento de eixo, mantendo-se constantes os parâmetros operacionais da bomba, respectivamente levando-se em consideração as alterações dos demais parâmetros operacionais da bomba, para se executar uma compensação tendencial. Por exemplo, uma subida do momento de eixo e uma queda do momento de eixo ao longo de um espaço de tempo mais longo, mantendo-se constantes as condições operacionais, pode indicar um desgaste.

[0040] Para se poder diferenciar os diferentes tipos de desgaste, respectivamente para se determinar uma informação de bomba corrigida, especialmente um parâmetro corrigido Ψ, pode-se executar uma medição do momento de eixo, sendo diferentes os números de rotações e sendo constantes os parâmetros operacionais da bomba. Como se pode deduzir da equação (3), os diferentes termos do momento de perda mecânico-hidráulico são dependentes de diferentes potências do número de rotações n. Por exemplo, através de uma análise de regressão dos dados de medição obtidos com diferentes números de rotação pode-se determinar, portanto, uma contribuição do momento de eixo independentemente do número de rotações; uma contribuição do momento de eixo dependente linearmente do número de rotações e um componente do momento de eixo dependente ao quadrado do número de rotações. A partir do componente do momento Mmh dependente linearmente do número de rotações é possível calcular diretamente a medida de fenda Ψ com base dos demais parâmetros conhecidos.

[0041] A informação de desgaste também pode ser determinada, potencialmente, independentemente do volume de fluxo. Com isso, a invenção também se refere, bem em geral, a um processo para a determinação de uma informação de desgaste, que se refira a um desgaste de uma bomba, e que dependa de uma informação de número de rotações correlacionada com o número de rotações da bomba e/ou de uma informação de pressão correlacionada com uma pressão diferencial na bomba e/ou pelo menos de uma das informações adicionais acima mencionadas, respectivamente de uma evolução temporal dessas grandezas. O processo pode ser desenvolvido tal como explicado acima.

[0042] Além disso, a invenção refere-se a uma bomba para o transporte de um fluido, que está projetada para a execução do processo de acordo com a invenção para a determinação de um volume de fluxo, sendo que ela abrange pelo menos um dispositivo sensor que está projetado para a detecção da informação de número de rotações e/ou da informação de pressão e/ou da informação adicional, e um dispositivo de processamento que está projetado para a determinação do volume de fluxo em função pelo menos da informação de bomba, da informação de número de rotações e da informação de pressão. Complementarmente ou alternativamente, a bomba pode ser projetada para a execução do processo para a determinação da informação de desgaste. O dispositivo de processamento pode ser projetado especialmente para controlar ou regular a bomba, especialmente seu número de rotações. Consequentemente, o dispositivo de processamento também pode ser chamado de dispositivo de controle. De preferência, a bomba é uma bomba de deslocamento, especialmente uma bomba de fuso helicoidal.

[0043] Outras vantagens e detalhes da invenção são obtidos a partir dos exemplos de execução que se seguem, bem como dos desenhos correspondentes. Nesse caso, mostra-se esquematicamente:

[0044] Figura 1: um exemplo de execução de uma bomba de acordo com a invenção;

[0045] Figura 2: o processamento de informação em um exemplo de execução do processo de acordo com a invenção;

[0046] Figura 3: a determinação de parâmetros referentes a uma geometria de bomba, no processo explicado com relação à figura 2;

[0047] Figura 4: um diagrama de evolução para a determinação de uma grandeza de desgaste, em um exemplo de execução do processo de acordo com a invenção.

[0048] A figura 1 mostra uma bomba 1, que nesse exemplo é uma bomba de fuso helicoidal. Esta inclui um motor 2, que aciona um fuso principal 4 por meio de um eixo 3. O fuso principal 4 também é chamado de fuso de acionamento. Este está disposto adjacente aos fusos secundários 6, 7, que também são chamados de fusos de rolamento, de tal modo que em um espaço de tempo resultante 5, que é formado em conjunto pelo fuso principal 4 e pelos fusos secundários 6, 7, um fluido seja transportado da entrada de fluido 8 para a saída de fluido 9 ao ocorrer uma rotação do eixo 3. Parâmetros operacionais da bomba 1 são detectados por vários dispositivos sensores 43 a 49. Bombas de fuso helicoidais já são, de fato, conhecidas pelo estado da técnica e por isso não serão explicadas detalhadamente aqui.

[0049] Em muitos casos de aplicação deve-se determinar um volume de fluxo transportado da entrada de fluido 8 para a saída de fluido 9. Possibilidades para isso serão explicadas a seguir, com relação adicional à figura 2. A princípio seria possível desconsiderar totalmente uma corrente volumétrica de vazamento 11, ou seja, um retorno de fluido através de fendas 16 da bomba 1. Nesse caso, como volume de fluxo poderia ser determinada diretamente uma corrente volumétrica de transporte 12, na medida em que um volume de bomba predefinido 14, respectivamente um volume de transporte teórico, por cada rotação da bomba seja multiplicado por uma informação de número de rotações 41 que descreve o número de rotações 13. O volume de bomba geométrico 14, que é considerado como informação de bomba 17, respectivamente como parte dessa informação de bomba 17, pode ser determinado diretamente através dos parâmetros da configuração da bomba. Por exemplo, ele pode ser determinado como função do diâmetro de fuso, da inclinação do fuso e de fatores geométricos predefinidos. Nesse caso, também é possível medir detalhadamente a forma concreta dos fusos, respectivamente da caixa 18, para se poder determinar o volume com mais precisão. Alternativamente, por exemplo, é possível executar um ciclo de medição com diferentes pressões em queda na bomba 1 e, desse modo, a partir do volume de fluxo efetivo é possível extrair um volume de transporte teórico por cada rotação.

[0050] O número de rotações 13 pode ser, aliás, conhecido quando o dispositivo de processamento 10 controlar o motor 2 de um modo tal que seja ajustado um número de rotações predefinido. Também é possível que o número de rotações seja detectado diretamente através de um sensor de número de rotações 14. Em algumas formas de execução, também pode ser vantajoso determinar o número de rotações, na medida em que por meio de um sensor de vibrações 15 sejam detectados dados de sensor 19 que se refiram a uma vibração de um componente da bomba 1, como a caixa 18, por exemplo. As vibrações, respectivamente os dados de sensor 19, apresentam tipicamente uma forte contribuição de frequência no caso de pelo menos um múltiplo inteiro do número de rotações 12, especialmente no caso do número de rotações duplo 13. Consequentemente, através de análise das frequências ocorridas nos dados de sensor 19 é possível determinar também o número de rotações 13.

[0051] No entanto, tipicamente, a corrente volumétrica de transporte 12 acha-se fortemente sujeita a erro. Através de uma consideração adicional da pressão diferencial 20 na bomba 1 é possível calcular um volume de fluxo 21 com uma precisão consideravelmente melhor. Em especial, a corrente volumétrica de vazamento 11 é calculada em função da pressão diferencial 20, respectivamente de uma informação de pressão 42 que descreve essa pressão diferencial 20 e é subtraída da corrente volumétrica de transporte teórica 12, para se determinar o volume de fluxo 21. A pressão diferencial 20 pode ser determinada na medida em que um sensor de pressão 33 pelo lado de afluxo detecta um primeiro valor de pressão 22 e em que um sensor de pressão 23 pelo lado de saída de fluxo determina um segundo valor de pressão 24, sendo que os valores de pressão 22, 24 são subtraídos um do outro, para se calcular a pressão diferencial 20. Alternativamente, poderia ser usado um sensor de pressão diferencial, por exemplo, para determinar diretamente a pressão diferencial.

[0052] Como já foi explicado com relação à equação (1), a corrente volumétrica de vazamento 11 pode depender de até três outros parâmetros 25, 26, 27, como, por exemplo, os parâmetros acima explicados a, b e Ψ, que são disponibilizados como parte da informação de bomba 17. Como ainda será explicado mais precisamente, eles podem ser determinados através de medições de calibragem na bomba 1, respectivamente em outras bombas.

[0053] Como informações adicionais 28 podem ser levadas em consideração especialmente uma densidade 29 e uma viscosidade 30 do fluido transportado. A densidade 29 e a viscosidade 30 poderiam ser determinadas, por exemplo, através de dispositivos de medição especiais, que podem ser dispostos em um canal de bypass 31. No caso de se empregar um fluido essencialmente sempre igual com uma temperatura essencialmente igual, essas grandezas também podem ser supostas como constantes e serem predefinidas.

[0054] Em especial, caso se prescinda de uma determinação direta da densidade 29, respectivamente da viscosidade 30, pode ser vantajoso detectar adicionalmente a temperatura 32 do fluido através de um sensor de temperatura 33. Essa temperatura pode ser especialmente avaliada para determinar uma viscosidade 30 dependente da temperatura e/ou uma densidade 29 do respectivo fluido, com ajuda de uma tabela look-up ou de uma correlação matemática conhecida.

[0055] Além disso, pode ser vantajoso monitorar, através de um sensor de corrente 35, uma corrente 36 fornecida ao motor 2, respectivamente uma potência fornecida ao motor 2. Em conjunto com o número de rotações 13, pode-se calcular daí um momento de rotação 37 no eixo 3. Alternativamente, esse momento de rotação 37 poderia ser detectado através de um sensor de momento de rotação 38. Tal como ainda será explicado com relação à figura 4, uma detecção do momento de rotação pode ser especialmente vantajosa para se poder identificar um desgaste da bomba 1, respectivamente para se adaptar pelo menos um dos parâmetros 25, 26, 27 a fim de se levar em consideração um desgaste correspondente. Além disso, como já foi explicado com relação às equações (2) e (3), é possível usar uma avaliação do momento de eixo 37 para determinar a viscosidade 30 ou pelo menos para identificar mudanças na viscosidade 30.

[0056] Como foi explicado acima, se os parâmetros 25, 26, 27 forem escolhidos de tal modo que eles correspondam às grandezas a, b e Ψ explicadas com relação à equação (1), então esses parâmetros ou ao menos parte desses parâmetros podem ser determinados através de medições de calibragem na bomba. Isso é exposto a seguir, como exemplo, na figura 3. Se a relação
(4) a = a Ψ3b
for inserida na equação (1), então será possível constatar que no registro algorítmico duplo da corrente volumétrica de vazamento específica mostrado na figura 3 contra a pressão diferencial específica, os pontos de medição de todas as medições de calibragem 39, 40 devem se situar sobre uma reta 50. A seção axial Y corresponde, nesse caso, ao parâmetro a' e o parâmetro b corresponde à inclinação da reta 50. Com isso, já pode ser suficiente determinar duas correntes volumétricas de vazamento específicas q+l com diferentes pressões diferenciais específicas δp+, para se determinar os parâmetros a’ e b. Como já foi explicado em relação à equação (1), esses parâmetros já seriam suficientes para descrever a correlação entre a corrente volumétrica de vazamento e a pressão diferencial na bomba 1. A divisão do parâmetro a’ nos parâmetros a e Ψ pode ser vantajosa porque o parâmetro Ψ pode ser escolhido através de seleção correspondente do parâmetro a de um modo tal que ele possa ser capturado intuitivamente como uma medida para uma fenda.

[0057] A figura 4 mostra um diagrama de evolução de um processo para a determinação de um desgaste da bomba 1. Este pode ser considerado como parte do processo descrito anteriormente para a determinação de um volume de fluxo, embora também possa ser usado separadamente disso. Para a identificação de um desgaste aproveita-se o fato de que um momento de perda mecânico-hidráulico Mmh, conforme explicado acima, pode ser exposto da seguinte forma:

[0058] Os três termos de perda somados dependem, respectivamente, de uma outra potência do número de rotações n. Para aproveitar isso, na etapa S1 são determinados, em primeiro lugar, os momentos de eixo 37 em vários números de rotação e com parâmetros de medição constantes. As medições com cada número de rotações ocorrem, nesse caso, quase estaticamente, isto é, em primeiro lugar um número de rotações é ajustado e é conservado pelo menos até que o momento de eixo 37 tenha se estabilizado. Consequentemente, não são consideradas contribuições para o aumento, respectivamente para a diminuição, do número de rotações.

[0059] Na etapa S2 é executada uma análise dos dados de medição detectados na etapa S1, sendo que é executado especialmente um ajuste, respectivamente uma regressão, para diferenciar entre contribuições ao momento de eixo 37 que não dependam do número de rotações n, não dependam linearmente do número de rotações n e não dependam ao quadrado do número de rotações n. No exemplo de execução mostrado, na etapa S3 são consideradas exclusivamente as contribuições de momento de rotação independentes de n, a partir das quais, na etapa S4, é possível determinar especialmente o parâmetro R∆p, respectivamente é possível identificar uma alteração desse parâmetro. Uma alteração do parâmetro R∆p pode indicar especialmente para o fato de que um desgaste leva a uma perda aumentada de fricção em um mancal da bomba 1.

[0060] Na etapa S5, ao contrário, são levadas em consideração exclusivamente as contribuições ao momento de rotação que são dependentes linearmente do número de rotações. A partir delas, na etapa S6, supondo-se que Rv é constante, pode-se determinar uma alteração da medida de fenda Ψ, respectivamente um valor concreto para essa grandeza. Com isso, também é possível identificar uma alteração da geometria de fenda devido a sedimentações ou devido a desbaste de material. Em especial, o parâmetro Ψ determinado por esse caminho pode ser considerado como parte da informação de bomba 17 em uma determinação posterior do volume de fluxo 21. Com isso, potencialmente não apenas é possível identificar a presença de um desgaste, para, por exemplo, alertar um usuário quanto a uma substituição necessária ou a uma manutenção necessária da bomba; é possível inclusive determinar e levar em consideração efeitos concretos do desgaste sobre a medição de fluxo.

Claims

Processo para a determinação de um volume de fluxo (21) de um fluido transportado por uma bomba (1), caracterizado pelo fato de que o volume de fluxo (21) é determinado em função de uma informação de bomba (17) predefinida e dependente de uma geometria de bomba; de uma informação de número de rotações (41) correlacionada com o número de rotações (13) da bomba (1), e de uma informação de pressão (42) correlacionada com uma pressão diferencial (20) na bomba (1).
Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o volume de fluxo (21) é calculado na medida em que uma corrente volumétrica de vazamento (11) determinada em função da informação de pressão (42) é subtraída de uma corrente volumétrica de transporte teórica (12) determinada em função de um volume de bomba (14) predefinido através da informação de bomba (17) e em função da informação de número de rotações (41).
Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que como informação adicional (28) são detectadas uma temperatura (32) e/ou uma viscosidade (30) e/ou uma densidade (29) do fluido e/ou uma corrente de serviço (36) e/ou um momento de eixo (37) da bomba (1), sendo que o volume de fluxo (21) e/ou a corrente volumétrica de vazamento (11) são determinados em função da informação adicional (28).
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que são empregados pelo menos um sensor de pressão (21, 23) e/ou pelo menos um sensor de força, que detecta uma força atuante sobre um componente da bomba, especialmente sobre um mancal, para determinar a informação de pressão (42).
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que através de um sensor de vibrações (15) detecta-se uma vibração de pelo menos um componente da bomba (1), sendo que a informação de número de rotações (41) é determinada em função de dados de sensor (19) do sensor de vibrações.
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a informação de bomba (17) descreve um volume de bomba (14), que indica um volume transportado teórico por cada rotação da bomba (1).
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que para a determinação do volume de fluxo (21) e/ou da corrente volumétrica de vazamento (11), a geometria de bomba é descrita através de quatro parâmetros no máximo (25, 26, 27).
Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos parâmetros (25, 26, 27) que descrevem a geometria de bomba é definido através de avaliação de dados de medição de pelo menos duas medições de calibragem (39, 40), que são executadas com pressões diferenciais (20) diferentes uma da outra na bomba (1).
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que em função da informação de número de rotações (41) e/ou da informação de pressão (42) e/ou da informação adicional (28) e/ou corrente volumétrica de vazamento (11) e/ou do volume de fluxo (21), especialmente em função da evolução temporal da informação de número de rotações (41) e/ou da informação de pressão (42) e/ou da informação adicional (28) e/ou da corrente volumétrica de vazamento (11) e/ou do volume de fluxo (21), determina-se uma informação de desgaste que indica se um desgaste da bomba (1) alcançou ou ultrapassou um valor limite predefinido e/ou indica uma intensidade do desgaste e/ou descreve uma modificação da geometria de bomba ou da informação de bomba (17) devido ao desgaste.
Bomba para o transporte de um fluido, caracterizada pelo fato de que está projetada para a execução do processo como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, sendo que ela abrange pelo menos um dispositivo de sensor (43 - 49), que está projetado para a detecção da informação de número de rotações (41) e/ou da informação de pressão (42) e/ou da informação adicional (28), e um dispositivo de processamento (10) que está projetado para a determinação do volume de fluxo (21) em função pelo menos da informação de bomba (17), da informação de número de rotações (41) e da informação de pressão (42).