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Gebiet der Erfindung:
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Erfassen von Lecks in einem Fluidkraftsystem und insbesondere zum
Erfassen des Vorhandenseins und des Orts von Lecks innerhalb eines
Fluidkraftsystems.
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Hintergrund der Erfindung:
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In
der Produktionsumgebung werden Fluidkraftsysteme üblicherweise
zum Automatisieren von Maschinen, Transportieren von Materialien
und/oder zum Steuern von Prozessen verwendet. Derartige Systeme
enthalten üblicherweise
eine Vielzahl von Stellgliedern, die mit Ventilen betriebsmäßig verbunden
sind. Die Stellglieder sind mit den Ventilen durch eine Reihe von
Schläuchen
bzw. Rohren und Anschlussstücken
verbunden. Die Ventile können
durch eine Anzahl von Vorrichtungen, wie Mikroprozessoren oder programmierbare
Logik-Steuerungsvorrichtungen oder durch analoge Steuerungsschaltungen, gesteuert
werden. Fluidkraftsysteme arbeiten üblicherweise mit komprimiertem
Fluid, wie z.B. Luft oder Hydrauliköl.
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Während der
Verwendung von Fluidkraft-Komponenten ist es fast unvermeidbar,
dass ein Leck irgendwo in dem System auftritt. Ein häufig auftretender
Leckbereich ist zwischen den Stellgliedern und den Ventilen. Ein
derartiges Leck kann durch eine Fehlfunktion des Schlauches bzw.
Rohres auftreten, wie z.B. durch Kontakt mit korrodierenden Substanzen,
Abrieb beim Bewegen der Schläuche zusammen
mit einem Stellglied, oder der Schlauch kann während des Produktionsprozesses
versehentlich eingeklemmt werden. Darüber hinaus können Anschlussstücke, welche
den Schlauch an den Ventilen befestigen, sowie Stellglieder locker
werden und ein leckartiges Austreten aus den Ventilanschlüssen und/oder
den Zylinderanschlüssen
ermöglichen.
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Ein
derartiges Leck ist ungewünscht
und kann zahlreiche schädliche
Auswirkungen haben. Z.B. wird in Pneumatiksystemen die Druckluft
durch Kompressoren bereitgestellt, deren Betrieb teuer ist. Somit
können
selbst kleine unbeachtete Lecks in einem System zu einer beachtlichen
Erhöhung
der Betriebskosten für
das System führen.
Wenn Pneumatiksysteme in Umgebungen verwendet werden, bei denen
der Zustand der Umgebungsluft sauber bleiben muss, kann ein ungewolltes
Austreten von Luft darüber
hinaus auch zu einer Verunreinigung und zusätzlichem Wartungsbedarf führen. Im
Falle von Hydrauliksystemen wird durch Lecks Hydrauliköl aus den
Leitungen verspritzt, was zu einer Verunreinigung des Umgebungsbereichs
führt.
Diese Lecks lassen sich zwar leichter identifizieren als in einem Pneumatiksystem,
doch wenn sie unbehandelt bleiben, erzeugen sie einen beachtlichen
Wartungsbedarf. Außerdem
können
Lecks die Stellglied-Leistungsfähigkeit
und die Gesamt-Leistungsfähigkeit der
Geräte
beeinträchtigen.
Es ist daher wünschenswert,
das Vorhandensein von Lecks so früh wie möglich zu erfassen und zu eliminieren.
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Lecks
werden in Pneumatiksystemen üblicherweise
diagnostiziert, indem man nach Geräuschen von zischender Luft
horcht und indem man Rohre bzw. Schläuche periodisch inspiziert
und Anschlussstücke,
die sich lockern könnten,
festzieht. Derartige Inspektionen sind zeitaufwändig und lassen sich in einer
geräuschbehafteten
industriellen Umgebung nur schwer durchführen. Hydrauliksystem-Lecks,
die zu einem Verspritzen von Hydrauliköl führen, können zwar gesehen werden, doch
würde man
derartige Lecks nur entdecken, wenn sie in einem Bereich sind, wo
ein Bediener das Leck einsehen kann. Derartige Inspektionsverfahren übersehen oftmals
kleine Lecks und verhindern, dass eine Wartung im Falle eines Lecks
frühzeitig
durchgeführt wird,
bevor irgendwelche Probleme auftreten.
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Im
Stand der Technik ist bekannt, verschiedene Sensoren zu verwenden,
um Lecks in einem Fluidkraftsystem zu erfassen. Derartige Verfahren beinhalten
die Verwendung einer Vielzahl von Sensoren, z.B. jeweils einen für jedes
Stellglied, um Veränderungen
des Luftstroms für
ein spezielles Stellglied zu sehen. Verfahren, die auf einer Vielzahl
von Sensoren beruhen, benötigen
jedoch eine beachtliche Verarbeitungsleistung und erhöhen die
Komplexität.
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Somit
wäre es
wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Erfassen eines
Lecks in einem Fluidkraftsystem bereitzustellen, ohne dass es übermäßig vieler
Komponenten bedarf.
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Zusammenfassung der Erfindung:
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Erfassen eines Lecks in einem Fluidkraftsystem bereitzustellen.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Erfassen des Vorhandenseins eines Lecks
in einem Fluidkraftsystem bereitzustellen und den Ort des Lecks
zu identifizieren.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Erfassen des Vorhandenseins eines Lecks
in einem Fluidkraftsystem bereitzustellen und den Ort des Lecks
zu identifizieren auf der Basis von Information, die durch einen
Fluidsensor bereitgestellt wird, der in einer Leitung positioniert
ist, die Druckluft an eine Vielzahl Ventile heranführt, und
durch Signale, die zum Verschieben der Ventile verwendet werden.
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Um
diese und weitere Vorteile effizient zu erzielen, enthält die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Lecks in einem
Fluidkraftsystem, das eine Fluidzufuhrleitung enthält, die mit
einer Vielzahl von Ventilen betriebsmäßig verbunden ist, die mit
einer Vielzahl von Stellgliedern verbunden sind.
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Das
Verfahren enthält
die folgenden Schritte: Verarbeiten von Strömungssignalen, die durch einen in
der Zufuhrleitung angeordneten Strömungssensor erzeugt werden,
um den Fluidverbrauch über
der Zeit zu erhalten; und Verarbeiten von Signalen, die zum Ändern des
Zustands der Vielzahl von Ventilen verwendet werden, um eine Vielzahl
von Episoden zu bestimmen, wobei jede Episode der Vielzahl von Episoden
einer Druckbeaufschlagung eines speziellen Zweiges eines speziellen
Stellgliedes entspricht. Das Verfahren enthält weiterhin Schritte zum Kombinieren
der Strömungssignale
mit den Signalen, die zum Ändern
des Zustands der Ventile verwendet werden, um einen Luftverbrauch-Änderungswert ΔFC für jede Ventil-Zustandsänderung
zu berechnen. Die ΔFC-Werte für jede Episode
werden mit einer vorbestimmten Referenzzahl verglichen, um eine
Abweichung zu bestimmen, die einer speziellen Episode der Vielzahl
von Episoden entspricht. Die Episode der Vielzahl von Episoden mit
der größten Abweichung
wird identifiziert, und es wird ein Signal erzeugt, das anzeigt,
dass ein Leck in dem System vorhanden ist, und das den für das Leck
verantwortlichen entsprechenden Zweig anzeigt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit zum Diagnostizieren
einer Zunahme des Fluidverbrauchs in einem Fluidkraftsystem mit
einer Fluidzufuhrleitung, die mit einer Vielzahl von Ventilen betriebsmäßig verbunden
ist, die durch mindestens einen Zweig mit einem entsprechenden Stellglied
verbunden sind, wobei der mindestens eine Zweig jedes Stellglieds
selektiv mit Druck beaufschlagt wird, der durch die entsprechenden
Ventile ausgestoßen
wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- (a) Erfassen eines Fluidstroms durch die Zufuhrleitung
und Berechnen des Fluidverbrauchs in einer vorbestimmten Zeitdauer;
- (b) Definieren einer Vielzahl von Episoden, wobei jede Episode
einer Zeitdauer entspricht, bei der mindestens ein Zweig eines der
Stellglieder der Vielzahl von Stellgliedern mit Druck beaufschlagt wird;
- (c) Berechnen einer Änderung
des Fluidverbrauchs für
jede Episode, um einen Luftverbrauch-Änderungswert ΔFC für mindestens
einen Zweig jedes Stellgliedes der Vielzahl von Stellgliedern zu
erhalten;
- (d) Vergleichen der ΔFC-Werte
mit einem vorbestimmten Referenz-Fluidverbrauchswert für jeden Zweig
des mindestens einen Zweiges jedes Stellglieds der Vielzahl von
Stellgliedern während
eines Systemzyklus, um einen Abweichungswert für jeden Zweig des mindestens
einen Zweiges jedes Stellglieds der Vielzahl von Stellgliedern zu erhalten;
- (e) Als Reaktion auf das Stellglied mit einer Vielzahl von Zweigen
Berechnen der Differenz zwischen dem Abweichungswert jedes Zweiges
der Vielzahl von Zweigen des Stellgliedes, um einen Stellglied-Abweichungswert für jedes
Stellglied der Vielzahl von Stellgliedern zu erhalten;
- (f) Als Reaktion auf das Stellglied mit nur einem Zweig Gleichsetzen
des Abweichungswertes für den
einen Zweig mit dem Stellglied-Abweichungswert;
- (g) Vergleichen der Stellglied-Abweichungswerte für jedes
Stellglied, um zu bestimmen, welches Stellglied der Vielzahl von
Stellgliedern den höchsten
Abweichungswert hat;
- (h) Als Reaktion auf das Stellglied mit dem höchsten Abweichungswert
mit nur einem Zweig Erzeugen eines Signals, das anzeigt, dass der
eine Zweig eine Leckzunahme des Fluidverbrauchs hat;
- (i) Als Reaktion auf das Stellglied mit einer Vielzahl von Zweigen
Vergleichen der Abweichungswerte für die Zweige des Stellglieds
mit dem höchsten
Abweichungswert, um zu bestimmen, welcher Zweig den höchsten Abweichungswert hat;
und
- (j) Erzeugen eines Signals, welches anzeigt, dass der Zweig
mit dem höchsten
Abweichungswert eine Leckzunahme des Fluidverbrauchs hat.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
der ΔFC-Wert für jede Episode
berechnet durch automatisches Differenzieren des Luftverbrauchs über die
Zeitdauer der Episode. Zusätzlich
sind nach dem Schritt (a) und vor dem Schritt (c) die folgenden Schritte
enthalten:
Berechnen eines Aktuellen Gesamt-Luftverbrauchswert
für einen
Systemzyklus;
Vergleichen des aktuellen Gesamt-Luftverbrauchswerts
mit einem Referenz-Gesamt-Luftverbrauchswert, um einen Differenzwert
zu erhalten, und falls der Differenzwert einen vorbestimmten Betrag übersteigt,
Fortfahren mit Schritt (c), und falls der Differenzwert kleiner
als ein vorbestimmter Betrag ist, Zurückkehren zu Schritt (a).
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Der ΔFC-Wert für jede Episode
kann bestimmt werden durch Berechnen des Steigungswertes einer Linie,
welche den Fluidverbrauch über
der Zeit abbildet. Der jeder Episode entsprechende Steigungswert
wird berechnet, indem man einen Luftverbrauch-Mittelwert Y1 über einen
ersten vorbestimmten Abschnitt eines Anfangs einer Episode erhält und indem
man einen Luftverbrauch-Mittelwert Y2 über einen zweiten vorbestimmten
Abschnitt eines Endes der Episode erhält und indem man die Differenz
zwischen Y2 und Y1 durch die Gesamtzeit der Episode dividiert. Der
erste und der zweite vorbestimmte Abschnitt können durch einen Bediener auswählbar sein.
Alternativ können
der erste und der zweite vorbestimmte Abschnitt durch eine Überwachungsvorrichtung
bestimmt werden und als Prozentsatz einer Gesamtlänge der
Episode berechnet werden. Das Verfahren kann außerdem einen Schritt aufweisen, bei
dem als Reaktion auf einen Zustand, bei dem alle Abweichungswerte
für jeden
Zweig und jedes Stellglied einen vorbestimmten Wert überschreiten,
ein Signal erzeugt wird, welches anzeigt, dass in der Zufuhrleitung
ein Leck ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann außerdem eine
Vorrichtung bereitstellen zum Diagnostizieren eines Lecks in einem
Fluidkraftsystem mit einer Fluid-Zufuhrleitung, die mit einer Vielzahl
von Ventilen betriebsmäßig verbunden
ist, die jeweils mit einem entsprechenden Stellglied durch einen
ers ten und einen zweiten Zweig verbunden sind, wobei der erste und
der zweite Zweig jedes Stellglieds selektiv mit Druck beaufschlagt
wird, der durch die entsprechenden Ventile abgelassen wird. Die
Vorrichtung kann einen in der Fluid-Zufuhrleitung angeordneten Strömungssensor
zum Erfassen einer Fluidströmung
zu der Vielzahl von Ventilen enthalten sowie eine mit dem Strömungssensor
betriebsmäßig verbundene Überwachungsvorrichtung
enthalten, wobei die Überwachungsvorrichtung
einen Prozessor und einen Speicher enthält. Eine Ventil-Steuerungsvorrichtung
kann mit jedem Ventil der Vielzahl von Ventilen betriebsmäßig verbunden
sein und mit der Überwachungsvorrichtung
betriebsmäßig verbunden
sein. Die Ventil-Steuerungsvorrichtung erzeugt Ventile, um ein Verschieben
der Vielzahl der Ventile zu bewirken. Die Überwachungsvorrichtung definiert
eine Vielzahl von Episoden, wobei jede Episode einer Zeitdauer entspricht,
bei der ein Zweig eines Stellglieds der Vielzahl von Stellgliedern
mit Druck beaufschlagt wird. Die Überwachungsvorrichtung berechnet
eine Änderung
der Fluidverbrauchswerte ΔFC
aus Signalen, die von dem Strömungssensor
empfangen werden. Die Überwachungsvorrichtung
kann auch einen ΔFC-Wert
für jede
Episode berechnen, um einen ΔFC-Wert
für jeden
Zweig zu erhalten, und vergleicht den ΔFC-Wert mit einem vorbestimmten
Referenzwert für
jeden der Zweige jedes Stellglieds der Vielzahl von Stellgliedern
während
eines Systemzyklus, um einen Abweichungswert für den ersten und den zweiten
Zweig zu erhalten. Für
jedes Stellglied erhält die Überwachungsvorrichtung
die Differenz zwischen dem Abweichungswert des ersten und des zweiten Zweigs,
um einen Stellglied-Abweichungswert
zu erhalten, und vergleicht die Stellglied-Abweichungswerte für jedes Stellglied, um zu bestimmen,
welches Stellglied der Vielzahl von Stellgliedern den höchsten Abweichungswert
hat. Für
das Stellglied mit dem höchsten
Abweichungswert vergleicht die Überwachungsvor richtung
die Fluidverbrauchswerte für
den ersten und den zweiten Zweig, um zu bestimmen, welcher Zweig
den höchsten
Fluidverbrauchswert hat, und erzeugt ein Signal, welches anzeigt,
dass der Zweig mit dem höchsten
Fluidverbrauchswert ein Leck hat.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Fluidkraftsystems der vorliegende
Erfindung.
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2 ist
eine Diagramm-Darstellung des Luftverbrauchs über der Zeit für drei Systemzyklen.
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3 ist
eine Diagramm-Darstellung von Episoden für einen Zyklus eines Fluidkraftsystems.
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4 ist
eine ausführliche
Diagramm-Darstellung einer Einzelepisode eines Systemzyklus.
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5 ist
ein Balkendiagramm, welches den Luftverbrauch-Steigerungswert jedes Stellgliedzweiges
mit einem entsprechenden Referenzwert vergleicht.
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6 ist
ein Balkendiagramm, das für
jedes Stellglied des Systems die Abweichung D des Steigungswertes
von dem entsprechenden Referenzwert zeigt.
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7 ist
ein Balkendiagramm, das für
jedes Stellglied in dem System die absolute Differenz zwischen den
Abweichungswerten jedes Zweiges eines Stellgliedes zeigt.
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8 ist
ein Balkendiagramm, das die Abweichung zwischen Zweigen eines leckenden
Stellgliedes zeigt.
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9A ist
ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung.
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9B ist
ein Flussdiagramm alternativer Schritte gegenüber den in 9A gezeigten.
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10 ist
eine schematische Darstellung eines Fluidkraftsystems der vorliegenden
Erfindung mit einer Vielzahl von Subsystemen.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bestimmen, ob in einem typischen Fluidkraftsystem ein Leck aufgetreten
ist, sowie zum Identifizieren des Ortes des Lecks. Die vorliegende
Erfindung kann im Zusammenhang mit einem standardmäßigen Fluidkraftsystem
verwendet werden, das eine Reihe von Ventilen und Stellgliedern
aufweist. Wie in 1 gezeigt, enthält ein Fluidkraftsystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Zufuhrleitung 12 für
die Zufuhr eines druckbeaufschlagten Fluids, die mit einem oder
mehreren Ventilen 16 betriebsmäßig verbunden ist. Jedes Ventil 16 ist
mit einem entsprechenden Stellglied 18 verbunden und bildet
ein Subsystem 19. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem druckbeaufschlagten Fluid um Luft, wobei
jedoch auch andere Fluide, wie z.B. Hydrauliköl oder dergleichen verwendet
werden könnten.
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Die
Ventile und Stellglieder besitzen eine im Stand der Technik bekannte
Bauart und können
in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, um während einer
Produktion eine Maschine zu betreiben oder einen Prozess zu steuern.
Für die
Stellvorrichtungen 18 kann aus einer Vielzahl von Komponenten
ausgewählt
werden, wie z.B. doppelt wirkende oder einfach wirkende Linear-
oder Drehantriebe. Die Stellvorrichtungen sind durch eine Fluidleitung 20,
wie z.B. einen Kunststoff- oder Metallschlauch mit den Ventilen
verbunden. Ein doppelt wirkendes Stellglied hat eine angetriebene
Bewegung in zwei Richtungen und ist deshalb durch zwei gesonderte
Fluidzufuhrleitungen und ihre entsprechenden Anschlussstücke, welche
die Zweige A und B bilden, auf bekannte Weise mit dem Ventil verbunden.
Das Ventil hat üblicherweise
zwei Zustände
oder Positionen und zwei Ausgänge.
Der eine Ausgang 13 ist über einen Zweig mit einem Zylinderanschluss
verbunden, und der zweite Ausgang ist durch einen anderen Zweig mit
dem zweiten Anschluss des Zylinders verbunden. Alternativ können zwei
gesonderte Ventile verwendet werden, um einen doppelt wirkenden
Zylinder anzutreiben, wobei das eine Ventil mit dem einen Zylinderanschluss
verbunden ist und das andere Ventil mit dem anderen Zylinderanschluss
verbunden ist. Bei einem üblichen
Fluidkraftsystem ist ein doppelt wirkender Zylinder durch einen
Schlauch bzw. ein Rohr mit einem Ventil verbunden. Wenn das Ventil
seinen Zustand ändert,
werden dem ersten Ausgangsanschluss und dem Zweig A Energie zugeführt, während bei
dem anderen Anschluss und dem Zweig B Druck abgelassen bzw. Gas
ausgestoßen
wird. Wenn das Ventil zurückgeschoben
wird, werden der zweite Ausgangsanschluss und der entsprechende Zweig
mit Druck beaufschlagt, während
bei dem ersten Anschluss und seinem entsprechenden Zweig Gas abgelassen
wird. Somit ist mindestens ein Zweig bei jedem Zylinder üblicherweise
stets mit Druck beaufschlagt. Für
einen einfach wirkenden Zylinder ist nur ein Zylinderanschluss vorhanden,
und das Stellglied wird durch eine Vorspannungskraft, wie z.B. mittels
einer Feder, in den anfänglichen
Zustand zurückgebracht.
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Das
Signal, welches bei den Ventilen 16 die Änderung
des Zustands bewirkt, kann von einer Ventil-Steuerungsvorrichtung 22 erzeugt
werden, wie z.B. eine Steuerungsvorrichtung mit programmierbarer
Logik (PLC), ein PC oder eine beliebige andere Prozessorvorrichtung.
Das PLC-Signal kann direkt zu dem Ventil gesendet werden oder über einen
elektronischen Feldbus zu einem Ventilmodul gesendet werden, das
wiederum auf an sich bekannte Weise mit den Ventilen verbunden wäre.
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Während des
Betriebs des Systems entsteht irgendwann ein Leck z.B. aufgrund
einer Abnutzung der Komponenten und eines Lösens der Verbindungs-Anschlussstücke. Ein üblicher
Leckbereich ergibt sich aufgrund eines Defektes in den Schläuchen bzw.
Rohren, der durch Abrieb oder Einklemmen der Leitung beim Betrieb
des Systems hervorgerufen werden kann. Dies trifft besonders dann
zu, wenn ein Stellglied auf einer sich bewegenden Anordnung positioniert
wird und daher die Zweigleitungen zu dem Stellglied ebenfalls bewegt
werden, wodurch sie einer Abnutzung ausgesetzt werden. Es können auch korrodierende
Materialien, die aus gewissen Herstellungsprozessen stammen, mit
den Schläuchen
bzw. Rohren in Kontakt kommen, was zu deren Ausfall führt. Ein
weiterer üblicher
Leckbereich befindet sich bei den Anschlussstücken, welche die Schläuche bzw.
Rohre mit den Ventilen an dem eine Ende und das Stellglied an dem
anderen Ende verbinden. Dieser Verbindungspunkt ist leckanfällig, wenn
sich das Stellglied bewegt. Die vorliegende Erfindung ist besonders
geeignet zum Erfassen von Lecks in den Schläuchen bzw. Rohren und/oder
Anschlussstücken
zwischen dem Ventil und dem Stellglied, welche die Zweige des Fluidkraftsystems
bilden.
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Um
ein Fluidleck in dem System oder irgendeinem seiner Subsysteme zu
erfassen, enthält die
vorliegende Erfindung einen Strömungssensor 24,
der in der Zufuhrleitung 22 angeordnet ist, die jedes der
Ventile 16 in dem System speist. Die Position des Strömungssensors 24 in
dem Fluidkreis ermöglicht
die Bestimmung der Gesamtmenge des durch das System verbrauchten
Fluids. Der Fluidsensor 24 erzeugt ein Ausgangssignal 26,
das in eine Überwachungsvorrichtung 28 eingespeist
wird. Das Ausgangssignal des Strömungssensors
kann durch die Überwachungsvorrichtung 28 mathematisch
integriert werden, um die über
die Zeit hinweg verbrauchte Luftmenge zu bestimmen. Die Bewegung
eines Stellgliedes verbraucht Luft, weshalb sich eine derartige
Bewegung in dem Gesamt-Luftverbrauch widerspiegelt. Eine Gruppe
typischer Luftverbrauch-Kurven sind in 2 dargestellt.
Die Luftverbrauch-Kurve enthält
auch Information über
Lecks in dem System. Wenn ein Leck in der Zufuhrleitung auftritt,
zeigt die Luftverbrauch-Kurve A ständig einen größeren Luftverbrauch
als dieselbe Kurve bei einem leckfreien System B. Wenn jedoch, wie
in Kurve C gezeigt, das Leck nur dann auftritt, wenn ein spezieller
Zweig eines Stellgliedes mit Druck beaufschlagt wird, zeigt die
Steigung der Leitung während
dieser Episode eaktuell eine beachtliche
Zunahme gegenüber
der Steigung einer Referenzkurve für dieselbe Episode eReferenz, bei der kein Leck vorhanden war.
Somit ist die Steigung der Luftverbrauch-Kurve nützlich für die Bestimmung eines Lecks
in einem System und auch zum Bestimmen, wo im System das Leck auftritt.
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Die Überwachungsvorrichtung 28 ist
auch mit der Ventil-Steuerungsvorrichtung 22 betriebsmäßig verbunden.
Die Ventil-Steuerungsvorrichtung 22 erzeugt ein Signal 23 jedes
Mal dann, wenn ein Ventil geschaltet wird, und somit wird ein Signal
zu der Überwachungsvorrichtung
gesendet, die eine Eingabevorrichtung 29 zum Empfangen
des Signals hat. Somit hat die Überwachungsvorrichtung
Information bezüglich
der Fluidströmung
und des Zustands jedes der Ventile 16 während des Systemzyklus. Information
für weitergehende
Zyklen wird durch die Überwachungsvorrichtung
gespeichert und analysiert. Die Überwachungsvorrichtung 28 kann
einen programmierbaren Mikroprozessor 30 und einen Speicher 32 zum
Speichern von Daten enthalten. Die Überwachungsvorrichtung kann
in Form eines Rechners, eines PC oder einer dafür bestimmten Hardware-Vorrichtung
vorliegen. Die Überwachungsvorrichtung 28 und
die Ventil-Steuerungsvorrichtung 22 können gesonderte Komponenten
sein, oder es können
in alternativen Ausführungen
die Funktionen dieser Vorrichtungen durch eine einzige Verarbeitungseinheit 33 durchgeführt werden.
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Wie
man anhand von 3 und dem Flussdiagramm von 9A sieht,
werden zur Bestimmung, ob ein Leck aufgetreten ist und wo es sich
in dem System befindet, durch die vorliegende Erfindung auf der
Grundlage der durch den Sensor 24 bereitgestellten Information
die Fluidverbrauchswerte für
einen Systemzyklus berechnet. Ein Systemzyklus kann entweder als
eine Gesamtzahl von Stellglied-Bewegungen, eine Gesamtzahl von Zweig-Druckbeaufschlagungen
oder eine Zeitlänge definiert
werden. Wenn z.B. ein System aus zwei Stellgliedern und vier Zweigen
besteht und jeder Zylinder sich ausdehnt und zusammenzieht, würde dies vier
gesonderte Zylinderbewegungen enthalten, weshalb der Zyklus als
vier Bewegungen definiert werden könnte, und am Ende der vier
Bewe gungen beginnt ein neuer Zyklus. Ähnlich können vier Zweig-Druckbeaufschlagungen
den Zyklus definieren, und nach vier Zweig-Druckbeaufschlagungen
würde ein
neuer Zyklus beginnen. Wenn der Vorgang insgesamt 20 Sekunden dauert,
könnte
ein Zyklus durch eine Zeitdauer von 20 Sekunden definiert werden.
Der Zyklus wird dann in eine Anzahl von Episoden en unterteilt, wobei
jede Episode durch eine Verschiebung oder Zustandsänderung
eines der Ventile gekennzeichnet ist. Eine Art der Bestimmung einer
Episode erfolgt dadurch, dass beim Schalten eines Ventils eine Druckbeaufschlagung
bei einer der mehreren Zweigleitungen hervorgerufen wird. Die Episode
würde enden,
wenn dasselbe Ventil erneut geschaltet wird, um eine Druckentspannung
oder einen Gasausstoß aus
der Zweigleitung zu bewirken. Eine alternative bevorzugte Art der
Bestimmung einer Episode beginnt zu dem Zeitpunkt, bei dem ein Ventil
geschaltet wird, wodurch die Druckbeaufschlagung einer Zweigleitung
bewirkt wird, und endet mit der nächsten Ventilschaltung eines
der anderen Ventile in dem System. Bei beiden Arten der Bestimmung
einer Episode führt
jede Episode dazu, dass bei einer speziellen Zweigleitung A oder
B eine Druckbeaufschlagung erfolgt. Durch Unterteilen des Zyklus
in die Druckbeaufschlagung gesonderter Zweigleitungen wird man in
die Lage versetzt, ein Leck zu isolieren, wenn eine spezielle Zweigleitung
mit Druck beaufschlagt wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird die Information bezüglich der
Episoden in dem Zyklus im Zusammenhang mit den Luftverbrauch-Werten
verwendet, um das Auftreten eines Lecks zu bestimmen. Wie in 3 gezeigt,
wird die Episoden-Information mit den Luftverbrauch-Daten kombiniert.
Während der
Dauer einer beliebigen Episode steigt die Menge verbrauchter Luft
an, wenn ein Stellglied mit Druck beaufschlagt wird und sich bewegt.
Die Änderungsgeschwindigkeit des
Luftverbrauchs kann für
jede Episode berechnet werden. Dieser Wert entspricht der Steigung
des Luftverbrauchs über
der Zeit vom Anfang bis zum Ende der Episode. Je größer der Steigungswert
ist, desto größer ist
die Menge der verbrauchten Luft. Da jede Episode der Druckbeaufschlagung
einer speziellen Zweigleitung entspricht, wird dieser Steigungswert
einer Episode einer speziellen Zweigleitung zugeordnet.
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Während des
Betriebs kann die Überwachungsvorrichtung 28 die Änderungsgeschwindigkeit des
Luftverbrauchs für
jede Episode in dem Zyklus bestimmen, um einen Leckzustand zu erfassen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird dies erreicht, indem man einen Wert berechnet, der einer Änderung
des Fluidverbrauchs entspricht (ΔFC-Wert).
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann der Fluidverbrauch-Änderungswert
die Steigung der Luftverbrauch-Kurve für jede Episode in dem Zyklus
sein. Die Steigung kann gewonnen werden durch Differenzieren eines
Luftverbrauch-Wertes über
die Zeit, was gleichbedeutend ist mit der Änderung des Luftverbrauchs
dividiert durch die Länge
der Episode, das heißt ΔLuftverbrauch/ΔZeit. Da
der Luftverbrauch kleineren Fluktuationen ausgesetzt ist, bestimmt
die vorliegende Erfindung den Steigungswert der Luftverbrauch-Kurve,
der die Fluktuationen glättet
und einen zuverlässigeren
Wert liefert, mit dem man arbeitet. Die Information bezüglich des
Anfangs einer Episode wird vorzugsweise durch ein Signal bestimmt,
das durch die Ventil-Steuerungsvorrichtung 22 erzeugt wird.
Wie in 3 gezeigt, beginnt eine Episode e mit der Verschiebung
eines Ventils 16, was zur Bewegung eines der Stellglieder 18 führt, und
endet mit dem nächsten
Ventil-Verschiebungssignal an irgendein Ventil in dem System.
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Wie
man in 4 sieht, müssten
bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
zum Berechnen des Steigungswerts für jede Episode e der anfängliche Luftverbrauch-Wert
und ein abschließender
Luftverbrauch-Wert bestimmt werden. Der Anfang und das Ende einer
Episode entsprechen einer Ventilverschiebung, und diese Ventilverschiebung
bewirkt Fluktuationen im Luftverbrauch. Um derartige Fluktuationen
zu kompensieren, sind der anfängliche
und der abschließende
Luftverbrauch-Wert vorzugsweise ein Mittelwert, der über einen
vorbestimmten Abschnitt dieser Episode berechnet wird. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
werden Luftverbrauch-Daten
an verschiedenen Punkten entlang einer Episode berechnet. Der anfängliche
und abschließende
Luftverbrauch-Wert
werden berechnet, indem man eine Anzahl abgetasteter Datenpunkte vom
Anfang der Episode und eine Anzahl abgetasteter Datenpunkte vom
Ende der Episode verwendet. Die Anzahl der Datenpunkte kann durch
einen Benutzer ausgewählt
werden oder durch die Überwachungsvorrichtung
bestimmt werden. Die Anzahl kann eine festgelegte Anzahl von Punkten
sein, oder sie kann bezüglich
der Länge
der Episode schwanken. Bei dem vorliegenden Beispiel wird eine Abtastung
bzw. Probennahme von 20 Datenpunkten zur Veranschaulichung verwendet.
Durch Begrenzen der Anzahl von Datenpunkten lassen sich die Anforderungen
an den Prozessor verringern, wobei immer noch ausreichend genaue
Information bereitgestellt wird. Die anfänglichen 20 Luftverbrauch-Werte
werden summiert und durch die Anzahl der Probennahmen, das heißt durch
20 dividiert, um einen anfänglichen
gemittelten Basiswert Y1 zu erhalten. Y1 = (Y1 + Y2 + . . . +
Yn)/n X1 = (X1 + X2 + . .. + Xn)/n
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Dieselbe
Mittelwertsberechnung wird an den abschließenden Datenpunkten durchgeführt, um
einen abschließenden
gemittelten Basiswert Y2 zu erhalten. Y2 = (Y'1 +
Y'2 +
. . . + Y'n)/n X2 = (X'1 +
X'2 +
. . . + X'n)/n
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Die
absolute Differenz zwischen den Werten Y1 und Y2 wird dann gewonnen,
und dieser Wert wird durch die Gesamtzeit der Episode dividiert,
um eine mittlere Steigung für
die Episode zu erhalten. Steigung = (Y2 – Y1)/(X2 – X1)
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Der
gesamte Zeitwert entspricht der Gesamtzahl der Datenproben während der
Episode, weshalb die Differenz zwischen Y1 und Y2 durch die Gesamtzahl
der Datenproben dividiert werden kann, um die aktuelle Steigung
zu erhalten.
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Der
Steigungswert für
diese Episode und diesen Zyklus, der als der aktuelle Steigungswert
bezeichnet wird, wird dann gespeichert. Dieser Berechnungsablauf
wird für
jede der Episoden des Zyklus wiederholt.
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Wenn
ein spezielles Stellglied mehr als eine derselben Bewegungen während eines
Zyklus hat, wenn z.B. ein Stellglied sich zweimal ausdehnt und zusammenzieht,
können
die der Bewegung entsprechenden Steigungswerte addiert werden und
durch die Anzahl der Bewegungen dividiert werden, um einen Mittelwert
zu erhalten. Daher hat jeder Zweig einen berechneten Steigungswert
pro Zyklus.
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Die
berechneten aktuellen Steigungswerte für jeden Zweig werden dann mit
einem Referenzwert verglichen, der dem speziellen Zweig unter Referenzbedingungen
entspricht. Der Vergleich zwischen den Referenz-Steigungen Ref_Actn und den aktuellen Steigungen Cur_Actn jedes einzelnen Zweiges in einem pneumatischen
System ist in 5 gezeigt. Diese Referenz-Steigungswerte
werden auf dieselbe Weise wie die oben beschriebenen berechnet,
um die aktuellen Steigungswerte zu bestimmen. Allerdings werden
die Referenzwerte zu einem Zeitpunkt berechnet, bei dem das System
leckfrei ist. Wenn bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das System einmal
aufgestellt ist und der Installateur gewährleistet, dass es leckfrei
ist und richtig arbeitet, kann die Überwachungsvorrichtung in einen
Testmodus gebracht werden, und es können Testzyklen durchgeführt werden,
um die Referenz-Steigungswerte
für jede
Episode zu bestimmen. Vorzugsweise werden mehrere Testzyklen durchgeführt, und
man erhält
einen gemittelten Referenz-Steigungswert. Dies minimiert die Auswirkung
jeglicher Anomalien, wodurch ein genauer Referenzwert für jeden
Zweig eines Stellgliedes erstellt wird.
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Wie
man in 6 sieht, werden die aktuellen Steigungswerte Cur_Actn für
jeden Zweig mit dem entsprechenden Referenzwert Ref_Actn verglichen, um
eine Differenz oder einen Abweichungswert D zu erhalten, der im
Speicher abgespeichert wird. Cur_Actn – Ref_Actn = D
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Für doppelt
wirkende Stellvorrichtungen, die zwei Zweige haben, werden dann
die Abweichungswerte für
die beiden Zweige A und B für
jede Stellvorrichtung voneinander subtrahiert, um einen absoluten
Stellvorrichtung-Abweichungswert
Dact zu erhalten. Eine Diagramm-Darstellung von
Dact ist in 7 gezeigt.
Für einfach
wirkende Stellglieder entspricht der Abweichungswert D dem Wert
Dact.
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Der
Prozessor vergleich die Dact-Werte für jedes
der Stellglieder miteinander und identifiziert die Stellvorrichtung
mit der größten Abweichung.
In einem Leckzustand hat eines der Stellglieder, in diesem Beispiel
das Stellglied 3, eine Abweichung, die signifikant größer als
bei den anderen Stellgliedern in dem Systems ist, wie in 7 dargestellt
ist. Diese Information zeigt auf, welche Stellglied/Ventilkombination
ein Leck hat. Zu diesem Zeitpunkt könnte ein Signal erzeugt werden,
das einen Bediener wegen der leckenden Stellglied/Ventilkombination
warnt. Allerdings wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Ort des
Lecks auch folgendermaßen
bestimmt. Anschließend
ruft der Prozessor den Abweichungswert D für jeden der Zweige des identifizierten Stellgliedes
auf. Die D-Werte für
jeden Zweig werden verglichen, siehe 8, und der
Zweig mit der größten Abweichung
wird als der Zweig mit dem Leck identifiziert. In dem vorliegenden
Beispiel hat das Stellglied 3 des Zweiges A die größte Abweichung. Die Überwachungsvorrichtung 28 kann
dann einen Hinweis erzeugen, um einen Bediener zu warnen, dass ein
Leck aufgetreten ist und wo sich das Leck in dem System befindet.
Der Hinweis kann eine von mehreren Formen haben, wie z.B. visuell,
auditiv oder beides. Falls das Stellglied mit dem höchsten Abweichungswert
nur einen Zweig hat, würde
das Signal, das anzeigt, dass das Leck in diesem Zweig ist, erzeugt
werden, ohne dass man Zweig-Abweichung vergleichen muss.
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Wenn
das Fluidkraftsystem 10 über eine Zeitdauer hinweg Zyklen
durchführt,
wird die während
jedes Zyklus verbrauchte Luftmenge in der Überwachungsvorrichtung 28 berechnet.
Während jedes
Zyklus ist die Bewegung der Stellglieder die selbe, und zwar auch
dann, wenn die Reihenfolge der Bewegungen sich ändern sollte. Daher sollte
die Menge des pro Zyklus verbrauchten Fluids im wesentlichen dieselbe
für jeden
Zyklus sein, wenn das System leckfrei ist. Wenn jedoch der Fluidverbrauch für einen
Zyklus größer als
bei vorherigen Zyklen ist, deutet dies darauf hin, dass in dem System
ein Leck aufgetreten ist. Wie man in 9B bezüglich eines alternativen
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung sieht, wird am Ende jedes Zyklus der
berechnete Fluidverbrauch zusammengezählt, und der Gesamt-Fluidverbrauch für den Zyklus
kann mit einem Referenz-Gesamt-Fluidverbrauchswert
verglichen werden. Der Referenz-Fluidverbrauchswert kann
durch die Überwachungsvorrichtung
während eines
Testzyklus des Systems bestimmt und gespeichert werden, wenn der
Benutzer Gewissheit hat, dass das System leckfrei ist. Wenn der
tatsächliche Gesamt-Fluidverbrauchswert
für einen
Zyklus von dem Referenzwert oder einem vorbestimmten Betrag abweicht
oder außerhalb
eines vorbestimmten Bereichs liegt, ist ein Leck oder ein fehlerhafter
Zustand vorhanden. Die vorliegende Erfindung schreitet dann fort,
um den speziellen Stellgliedzweig, der ein Leck hat, zu identifizieren,
indem die weiter oben beschriebenen und in 9A gezeigten
Schritte durchgeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann Lecks identifizieren, wenn das System
seinen gewöhnlichen
Betrieb durchführt.
Nur wenn ein Leck erfasst wird, und eine Wartung durchzuführen ist,
muss der Betrieb des Systems unterbrochen werden. Durch Identifizieren
eines speziellen Zweiges, der ein Leck hat, hält die vorliegende Erfindung
außerdem
die Wartungszeit auf einem Minimum, wodurch eine rasche Wiederaufnahme
des Betriebs bei dem System ermöglicht
wird.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
ein anderer Satz von Zuständen
programmiert werden, welche der Prozessor der Überwachungsvorrichtung erkennen
soll und bei dem alle Zweige eine Zunahme des Steigungswerts während des
gesamten Zyklus über
einen vorbestimmten Wert hinaus aufweisen, was darauf hinweisen
kann, dass ein Leck in der Zufuhrleitung oder dem ihr zugeordneten Anschlussstück vorhanden
ist. Wenn ein derartiger Zustand auftritt, kann ein Signal erzeugt
werden, das anzeigt, dass in der Zufuhrleitung ein Leck vorhanden
ist.
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Wie
in 10 gezeigt, kann die vorliegende Erfindung auch
in Systemen verwendet werden, die eine Vielzahl von Stellgliedern
enthalten, die in gesonderte Gruppen unterteilt sind. Jede Gruppe
kann einen gesonderten Strömungssensor 24 enthalten, doch
können
sie auch dieselbe Überwachungsvorrichtung 28 und
dieselbe Ventilsteuerungsvorrichtung 28 haben. Bei dieser
Mehrgruppen-Ausführung
wird das Auftreten eines Lecks für
jede Gruppe auf dieselbe Weise wie für das weiter oben beschriebene
Einzelgruppen-System diagnostiziert.
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Eine
weitere Alternative, die durch die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen
wird, besteht darin, dass ein Einfach-System für diagnostische Zwecke in gesonderte
Gruppen unterteilt werden könnte.
Gruppen könnten
verwendet werden, um die Stellglieder voneinander zu trennen, die
eine gleichzeitige Bewegung durchführen. Somit hat jede Gruppe
nur eine sequentielle Bewegung und keine gleichzeitigen Bewegungen.
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Es
kann auch in Erwägung
gezogen werden, dass die vorliegende Erfindung bei Anwendungen verwendet
wird, bei denen eine gleichzeitige Stellglied-Bewegung während des
Zyklus auftritt. Bei dieser Anwendung wird durch Berechnen eines
Luftverbrauch-Wertes für
jede Strömung
und durch Vergleichen dieses Wertes mit einem Referenzwert eine
Bestimmung durchgeführt,
dass in dem System ein Leck vorhanden ist. Ein Bediener könnte dann
die verschiedenen Komponenten untersuchen, um den Ort des Lecks
zu bestimmen.
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Obwohl
alle derzeit am meisten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben wurden, erkennt der Fachmann, dass zahlreiche Änderungen
und Abwandlungen der Erfindung durchgeführt werden können, ohne
dass man den Bereich der Erfindung verlässt, wobei sämtliche
derartigen Änderungen
und Abwandlungen beansprucht werden und in den wirklichen Schutzbereich
der Erfindung fallen.