DE102006049440B4

DE102006049440B4 - Verfahren, Sensor und Diagnosegerät zur Pumpendiagnose

Info

Publication number: DE102006049440B4
Application number: DE102006049440.7A
Authority: DE
Inventors: Lorenz Halbinger; Matthias Hoffmann; Jörg Schütze; Daniel SPINNENHIRN; Alfred Wagner
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: DE102006049440A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Pumpe, insbesondere einer Fliehkraft- oder Verdrängungspumpe, in einer Pumpenanlage, mit den Verfahrensschritten: Erfassung mindestens eines Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) in der Pumpenanlage, Berechnung mindestens eines Kennwertes Kkal aus dem Druck- oder Strömungsverlauf P(t), Vergleich des berechneten Kennwertes Kkal mit mindestens einem vorgegebenen Kennwert Kvor oder mit einem von dem Kennwert Kvor begrenzten Kennwertbereich, wobei der vorgegebene Kennwert Kvor oder der durch Kvor begrenzte Kennwertbereich einem interessierenden Betriebszustand der Pumpe entspricht, und Ausgabe des durch den Vergleich ermittelten Betriebszustandes, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Kennwert Kkal die Pulsation des Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) in einem Berechnungs-Zeitintervall ΔtB charakterisiert, wobei als berechneter Kennwert Kkal ein Pulsationsquotient berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Pumpe, insbesondere einer Fliehkraft- oder Verdrängungspumpe, in einer Pumpenanlage, mit den Verfahrensschritten: Erfassung mindestens eines Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) in der Pumpenanlage, Berechnung mindestens eines Kennwertes K_kal aus dem Druck- oder Strömungsverlauf P(t), Vergleich des berechneten Kennwertes K_kal mit mindestens einem vorgegebenen Kennwert K_vor oder mit einem von dem Kennwert K_vor begrenzten Kennwertbereich, wobei der vorgegebene Kennwert K_vor oder der durch K_vor begrenzte Kennwertbereich einem interessierenden Betriebszustand der Pumpe entspricht, und Ausgabe des durch den Vergleich ermittelten Betriebszustandes, ferner ein Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Vorrichtung mit mindestens einem hydraulischen Aktor, einen Sensor zur Durchführung der Verfahren, eine Sensoranordnung mit einem ersten Sensor und mit einem zweiten Sensor und ein Diagnosegerät zur Erfassung des Betriebszustandes einer Pumpe in einer Pumpenanlage zum Transport eines flüssigen Fördermediums.
Pumpen werden in unzähligen und ganz unterschiedlichen Anwendungen in Industrie und Forschung eingesetzt, sei es in verfahrenstechnischen Großanlagen oder beispielsweise in kleinen Laboraufbauten mit nur sehr geringen Fördermengen. Der Ausfall einer einzigen Pumpe ist häufig mit dem Ausfall der gesamten Anlage, Produktionsstillstand und mit erheblichen Kosten verbunden.
Die Gründe für die Schädigung und den Ausfall einer Pumpe sind vielfältig, sie sind teilweise spezifisch für den verwendeten Pumpentyp, gleichwohl gibt es eine Reihe von allgemeinen Ursachen, die sowohl zur Beeinträchtigung von Fliehkraftpumpen als auch zur Beeinträchtigung von Verdrängungspumpen führen können, insbesondere Ursachen, die mit einem ungeeigneten Betriebszustand und den daraus resultierenden Folgeschäden an der Pumpe zu tun haben.
Eine ansaug- bzw. niederdruckseitige Ursache eines unerwünschten Betriebszustandes kann in der Mitführung von Gas in dem flüssigen Fördermedium liegen, mit der Folge mangelnder Schmierung der unmittelbar mit dem Fördermedium in Kontakt kommenden Pumpenteile und unverzüglich einsetzendem Verschleiß aufgrund der dann auftretenden Trockenreibung, Heißlaufen von Gleitringdichtungen und Undichtigkeiten, die zu Rückströmungen und verminderter Förderleistung führen. Zur Erkennung einer Gasmitführung wird deshalb oftmals im Ansaugbereich einer Pumpe ein Sensor zur Füllstandserkennung in der Fördermittelzuleitung vorgesehen, oder aber es wird der Druck auf der Ausstrom- bzw. Druckseite der Pumpe beobachtet und das Abfallen des Drucks unter einen Mindestwert erkannt und mit Abstellen der Pumpe reagiert ( DE 298 15 361 U1 ). Das erste Verfahren hat den Nachteil, dass sich durch eine Füllstandsmessung in dem Fördermedium verteilte Luftblasen und der damit verbundene Gaseintrag nur unzureichend oder gar nicht erkennen lässt, wohingegen das zweite Verfahren nur zur Erkennung vergleichsweise großer Gaseinträge verwendbar ist und sich daher für viele Anwendungen nicht eignet.
Ein weiteres häufig auftretendes Problem beim Betrieb von Pumpen ist die Entstehung von Kavitationen im Niederdruckbereich einer Pumpe, bei der es zur Bildung von Gasblasen innerhalb des Fördermediums kommt, was darauf zurückzuführen ist, dass der örtliche Druck innerhalb des Fördermediums den Dampfdruck des Fördermediums unterschreitet. Durch schlagartige Implosion der Kavitationen in Bereichen höheren Drucks des Fördermediums kann es in der Nähe von Pumpenteilen zu deren Erosion kommen infolge sehr hoher, lokal begrenzter Impulse, die von dem beschleunigten Fördermedium beispielsweise auf Laufradschaufeln ausgeübt werden. Eine bekannte Maßnahme zur Vermeidung von Kavitation besteht darin, die Druckdifferenz zwischen der Einstrom- und der Ausstromseite einer Pumpe zu ermitteln und unter Berücksichtigung der Drehzahl der Pumpe und der Soll-Förderhöhe zur Erkennung der Kavitationsbedingung heranzuziehen ( DE 198 58 946 A1 ). Nachteilig ist bei diesen und ähnlichen Verfahren, dass stets mehrere Messgrößen mit mehreren Sensoren aufgenommen werden müssen (ansaug- und ausstromseitig Drücke der Pumpe, Drehzahl der Pumpe) und zusätzlich häufig spezielle Pumpenkenngrößen bekannt sein müssen (z. B. NPSH-Wert, net positive suction head), was mit erheblichen Kosten verbunden ist.
Aus der DE 103 34 817 A1 ist ein Verfahren zur Fehlererkennung bei Pumpen bekannt, bei dem der Pumpendruck messtechnisch erfasst und der Druckverlauf einer Frequenzanalyse unterzogen wird. Aus der gesamten Frequenzanalyse wird als Kennwert die Amplitude einer einzigen charakteristischen Frequenz der Pumpe herangezogen, die mit einer Referenzamplitude verglichen wird, wobei der Vergleich von gemessener und vorgegebener Amplitude Rückschluss auf einen Fehler zulässt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Auswahl lediglich eines Wertes aus dem Frequenzspektrum des messtechnisch erfassten Druckverlaufs nur eingeschränkte Informationen über die tatsächlichen Verhältnisse des Betriebszustandes einer Pumpe zulässt, so dass auch nur eingeschränkte Möglichkeiten zur Bestimmung des Betriebszustandes einer Pumpe bestehen.
Aus der DE 197 38 844 A1 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen elektronischen Überwachung der Funktionen einer Dosierpumpe bekannt. Mit Hilfe dreier Sensoren wird ein zeitlich abhängiger Druckverlauf in der Förderkammer aufgenommen und das so entstandene Indikatordiagramm analysiert. Durch den Vergleich mit bei bekannten mangelhaften Betriebszuständen, wie zum Beispiel bei der Mitführung von Gas im flüssigen Fördermedium, aufgenommenen Indikatordiagrammen werden eventuelle Fehler in den Funktionen der Dosierpumpe erkannt.
Die DE 43 09 380 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines geschlossenen Systems, in dem ein Medium mittels einer Pumpe gefördert wird. Zur Überwachung des Systems wird dafür eine der pro Zeiteinheit geförderten Menge des Mediums proportionale erste physikalische Größe und eine sich zeitlich ändernde, dem Innendruck des geschlossenen Systems proportionale zweite physikalische Größe ermittelt, wobei der Quotient dieser beiden physikalischen Größen mit einem Sollwert verglichen wird. Bei Überschreiten des Sollwertes wird ein Alarmsignal ausgelöst.
Nachteilig an den oben genannten Verfahren ist, dass eine Mehrzahl an Messgrößen mit einer Mehrzahl an Messaufnehmern aufgenommen werden muss.
Aus der DE 196 25 947 C1 ist ein Verfahren zur Früherkennung von Störungen bei Verdrängungspumpen bekannt, bei dem auf der Druckseite der Pumpe der Druckverlauf messtechnisch erfasst wird und die Differenz von Druckamplituden in einem bestimmten Frequenzbereich ermittelt und zur Erkennung eines Störungsfalls herangezogen wird. Nachteilig ist auch hier wiederum, dass durch Auswahl lediglich eines kleinen Bereiches des aus dem Druckverlauf gewonnenen Frequenzspektrums nur begrenzte Analysemöglichkeiten des Betriebszustandes der Pumpe zur Verfügung stehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen mit verbesserten und vereinfachten Möglichkeiten zur Erkennung des Betriebszustandes von Pumpen, Pumpenanlagen und hydraulischen Anlagen zur Verfügung zu stellen.
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Pumpe, insbesondere einer Fliehkraft- oder Verdrängungspumpe, in einer Pumpenanlage, bei dem diese Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Kennwert die Pulsation des Druck- oder Strömungsverlaufs in einem Berechnungs-Zeitintervall charakterisiert, wobei als berechneter Kennwert ein Pulsationsquotient berechnet wird.
Im Unterschied zu den bekannten Verfahren zur Erkennung eines Betriebszustandes einer Pumpe beschränkt sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Erfassung und Bewertung eines einzelnen Druckwertes – beispielsweise Vergleich eines einzelnen Druckwertes mit einem vorgegebenen Druck-Grenzwert –, sondern das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt den zeitlichen Druck- oder Strömungsverlauf im Fördermedium an mindestens einer Stelle in der Pumpenanlage und lässt die aus dem Druck- oder Strömungsverlauf ableitbaren und interessierenden Informationen in einen berechneten Kennwert einfließen.
Erfindungsgemäß hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn für die Erkennung des Betriebszustandes einer Pumpe aus dem Druck- oder Strömungsverlauf ein solcher Kennwert gewonnen wird, der die Pulsation des Druck- oder Strömungsverlaufs in einem Berechnungs-Zeitintervall charakterisiert. Hierzu ist anzumerken, dass der von praktisch jeder Pumpe erzeugte Förderstrom nicht mit einem gleichmäßigen Druck beaufschlagt ist, sondern in Abhängigkeit von der Geometrie und dem physikalischen Zusammenwirken der für die Beschleunigung des Fördermediums zuständigen Pumpenelemente abhängt. Selbst bei gleichmäßigem Betrieb und gleichmäßiger Ansteuerung der Pumpe pulst der von der Pumpe mittelbar verursachte und im Fördermedium wirksame Druck, wobei der pulsierende Förderstrom und der damit einhergehende pulsierende Druck beispielsweise Rückschlüsse zulassen auf die Anzahl der beteiligten Pumpenzylinder im Falle von oszillierenden Verdrängerpumpen oder die Anzahl der Schaufelräder im Falle von Fliehkraftpumpen. Die daraus resultierende Pulsation des Druckverlaufs ist charakteristisch für jeden Pumpentyp, genauso, wie er auch charakteristisch für eine individuelle, in einer Anlage betriebene Pumpe ist, da Pumpe und Anlage wechselwirkende Komponenten eines dynamischen Systems sind. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Veränderung der Pulsation aufgrund ungewollter Störungen des Betriebszustandes sich so markant im Pulsationsverhalten niederschlägt, dass die Analyse der Pulsation bzw. die Ableitung eines Kennwertes aus der Pulsation des Druck- oder Strömungsverlaufs ein besonders geeignetes Mittel zur Identifikation solcher Betriebszustände ist. Erfindungsgemäß wird als berechneter Kennwert ein Pulsationsquotient berechnet, wobei der Pulsationsquotient charakteristische Drücke des Druck- oder Strömungsverlaufs zueinander in Beziehung setzt.
Überraschenderweise sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl von Betriebszuständen einer Pumpe oder Pumpenanlage erkennbar, wenn lediglich an einer einzigen Stelle in der Pumpenanlage der Druck- oder Strömungsverlauf ermittelt wird; gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht dies in der Nähe des Ausstrombereichs der Pumpe.
Bei nur geringfügig kompressiblen Fördermedien verhält sich der in dem Fördermedium wirksame Druck korrespondierend zu der Strömung des Fördermediums, weshalb hier stets auf den Druck- oder Strömungsverlauf hingewiesen wird. Wenn nachfolgend teilweise nur von einem Druckverlauf die Rede ist, impliziert dies stets auch die alternative Verwendung des korrespondierenden Strömungsverlaufs.
Zu den mit dem vorgenannten Verfahren erkennbaren Störungen und Änderungen des Betriebszustandes zählen neben den mit der Pumpe selbst zusammenhängenden Fehlern (Flügelrad-, Dichtungs- und Lagerdefekte) beispielsweise auch volumetrische Störungen im Zufluss (z. B. durch Gasmitführung), Störungen durch Kavitation, Änderung des Anlagenströmungswiderstandes und ausstromseitige Blockaden, Änderung von strömungsmechanisch relevanten Materialwerten des Fördermediums (z. B. Viskositätsänderung infolge variierender Mischungsverhältnisse oder Phasenanteile oder durch Temperaturänderung), Änderungen im Strömungsverhalten des Fördermediums (z. B. durch Umschlag von laminarer in turbulente Strömung oder durch Variation der Turbulenz).
Zur Berechnung eines die Pulsation des Druck- und/oder Strömungsverlaufs charakterisierenden Kennwerts sollte sich das Berechnungs-Zeitintervall mindestens über ein Pulsationsereignis erstrecken, also beispielsweise ein von einem Schaufelrad verursachter Druck- und/oder Strömungspuls; besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn zur Berechnung des berechneten Kennwertes mindestens so viele Pulsationsereignisse herangezogen werden, die einem vollständigen Umlauf der druck- bzw. strömungserzeugenden Pumpenelemente entsprechen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Pulsationsquotient berechnet als der Quotient aus der Differenz des in dem Berechnungs-Zeitintervall erfassten maximalen und minimalen Fördermediumdrucks und einem Mittelwert des Fördermediumdrucks in dem Berechnungs-Zeitintervall. Zur Mittelwertbildung bieten sich verschiedenen Mittelwerte an, wobei die Verwendung des arithmetischen Mittelwerts bevorzugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich hinsichtlich seiner Verwendbarkeit weiter verbessern, indem um oder an den vorgegebenen Kennwert ein Toleranzband gelegt wird, wobei der durch das Toleranzband definierte Wertebereich dann durch einen unteren vorgegebenen Kennwert und/oder einen oberen vorgegebenen Kennwert definiert wird. Wenn der vorgegebene Kennwert einen ordnungsgemäßen Betriebszustand der Pumpe beschreibt, definiert das Toleranzband somit einen akzeptierten Betriebszustandsbereich, und der Vergleich eines jeden berechneten Kennwerts mit dem durch das Toleranzband definierten vorgegebenen Kennwertbereich gibt Auskunft darüber, ob die Pumpe in einem zulässigen Betriebszustand betrieben wird oder nicht. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Toleranzband den vorgegebenen Kennwert symmetrisch umgibt, der untere vorgegebene Kennwert und der obere vorgegebene Kennwert also gleich weit von dem vorgegebenen Kennwert beabstandet sind.
Besonders praxisgerecht ist das Verfahren dann ausgestaltet, wenn der vorgegebene Kennwert zu Beginn des Verfahrens innerhalb eines Einlern-Zeitintervalls ermittelt wird, wobei die Pumpe sich während des Einlern-Zeitintervalls in einem interessierenden Betriebszustand befindet, wobei es sich bei diesem interessierenden Betriebszustand idealerweise um einen fehlerfreien Betriebszustand handelt, so dass die Pumpe bzw. Pumpenanlage zum Einlernen nicht gezielt in einem die Pumpe möglicherweise dann langfristig schädigenden Betriebszustand betrieben werden muss. Dieses Einlernen – ”teachen” – eines Gut-Zustandes ist für den Anwender erfahrungsgemäß besonders einfach durchzuführen, mit dem Vorteil, dass der vorgegebene Kennwert in idealer Weise an die Pumpe bzw. Pumpenanlage angepasst ist.
Das beschriebene Verfahren unter Verwendung des Pulsationsquotienten als berechneten und vorgegebenen Kennwert hat sich überraschenderweise als besonders geeignet herausgestellt, um bei unterschiedlichen Pumpentypen sehr unterschiedliche Betriebszustände zu erkennen bzw. voneinander zu unterscheiden. Durch Verwendung des Verfahrens können sehr geringe eingangsseitige volumetrische Störungen detektiert werden wie beispielsweise sehr geringe mitgeführte Gasmengen oder nur geringfügig einsetzende Kavitationen, so dass eine Überwachung des Pumpenzustandes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Beeinflussung des Pumpen- und Pumpenanlagenzustandes gestattet, lange bevor sich eine tatsächliche Schädigung einstellen kann. Das Verfahren ist ebenfalls dazu geeignet, eine üblicherweise nur sehr schwer zu erkennende ausgangsseitige Blockade bei Fliehkraftpumpen zu erkennen. Derartige Störungen sind u. U. deshalb schwer auszumachen, weil Fliehkraftpumpen bei gleichbleibender Pumpendrehzahl dem angeschlossenen System keinen Volumenstrom gegen einen noch so hohen Widerstand aufzwingt, wie dies bei Verdrängungspumpen der Fall ist. Dies führt dazu, dass eine ausgangsseitige Blockade der Pumpen bzw. Pumpenanlage bei Fliehkraftpumpen nicht zu einem signifikanten Anstieg des mittleren Fördermediumdrucks führen muss, die ausgangsseitig an der fördernden Pumpe anliegenden mittleren Drücke sich im normalen Betriebszustand und im Blockadefall vielmehr kaum voneinander unterscheiden. Hingegen ändert sich im Blockadefall die Pulsation des Druckverlaufs, was sich auch in einer auswertbaren Veränderung des Pulsationsquotienten niederschlägt, was die besondere Eignung des Verfahrens zur Erkennung von Blockadezuständen bei Fliehkraftpumpen erklärt.
Eine ausgangsseitige Erhöhung des Strömungswiderstandes oder sogar eine Blockade stellt sich bei Verdrängungspumpen hinsichtlich des ausstromseitigen Druckverlaufs vollkommen anders dar, führt nämlich zu einem extrem steilen Anstieg des Fördermediumdrucks auf sehr hohe Druckwerte.
Zur Erkennung blockadeartiger Betriebszustände wird in einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren der berechnete Kennwert so gewählt, dass der berechnete Kennwert die zeitliche Veränderung des Druck- oder Strömungsverlaufs charakterisiert, insbesondere durch Berechnung des Differenzenquotienten aus aufeinanderfolgend gemessenen Fördermediumdrücken oder -strömungen, wobei der vorgegebene Kennwert eine maximale/minimale zeitliche Änderung des Druck- oder Strömungsverlaufs vorgibt, insbesondere der vorgegebene Kennwert für einen bestimmten Druck oder Strömungsbereich des Fördermediumdrucks vorgegeben wird.
Unter ”aufeinanderfolgend gemessenen Fördermediumdrücken” wird hier verstanden, dass der Druckverlauf in realen technischen Systemen nicht zeitlich kontinuierlich, sondern durch einen Abtastvorgang erfasst wird. Insofern handelt es sich bei aufeinanderfolgend gemessenen Fördermediumdrücken um in einem zeitdiskreten Abtastvorgang gewonnene Momentaufnahmen des Fördermediumdrucks. Durch die Bildung des Differenzenquotienten – also dem Quotienten aus der Differenz des aktuell gewonnenen Druckwertes und des zuvor gewonnenen Druckwertes des Fördermediums und dem zwischen den beiden Datenerhebungen liegenden Zeitintervall – lässt sich auf die Änderungsgeschwindigkeit des Fördermediumdrucks schließen.
Der Fehlerfall einer ausgangsseitigen Blockade im Strömungsverlauf lässt sich gemäß der beschriebenen Lehre der Erfindung so frühzeitig erkennen, dass eine Abschaltung der Pumpe aufgrund des erkannten Blockadezustandes so frühzeitig möglich ist, dass Bypass-Ventile zur Freischaltung einer mit der Eingangsseite der Pumpe verbundenen Bypass-Leitung nicht mehr notwendig sind, wodurch schlagartige Druckschwankungen in der Pumpe und der Pumpenanlage vermieden werden können.
Liegt die Änderungsgeschwindigkeit bzw. der Betrag der Änderungsgeschwindigkeit des Fördermediumdrucks über einem vorgegebenen Kennwert, wird vermutet, dass bei weiterem Betrieb der Pumpe voraussichtlich ein unzulässiger Druckwert in dem Fördermedium und damit in der Anlage erreicht werden wird. Bei Detektion eines solchen Betriebszustandes kann prädikativ auf die Ansteuerung der Pumpe eingewirkt werden, so dass rechtzeitig das Erreichen unzulässiger Druckwerte innerhalb der Pumpenanlage vermieden werden kann.
Das auf der Änderungsgeschwindigkeit des Druck- und oder Strömungsverlaufs basierende Verfahren lässt sich insbesondere dann vorteilhaft anwenden, wenn die Erkennung eines schädlichen Druckanstiegs nicht nur an den Wert des Druckanstiegs selbst geknüpft ist, sondern auch an die Höhe des absoluten Drucks bzw. der absoluten Strömungsgeschwindigkeit. So kann ein sich schnell ändernder Druck – ausgehend von einem niedrigen absoluten Druckwert – unkritisch sein, wohingegen die gleiche Änderungsgeschwindigkeit des Drucks bei einem bereits erzielten höheren Druck auf einen mit höherer Wahrscheinlichkeit eintretenden schadhaften Betriebszustand hindeuten kann, der eine sofortige Abschaltung der Pumpe erforderlich macht.
Nach einer weiteren unabhängigen Lehre der Erfindung ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ferner durch ein Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Vorrichtung mit mindestens einem hydraulischen Aktor dadurch gelöst, dass zunächst der Druckverlauf in dem hydraulischen Aktor oder in der Zuleitung zu dem hydraulischen Aktor erfasst wird, wonach ein Vergleich des gemessenen Druckverlaufs mit mindestens einem vorgegebenen Druckverlauf und/oder ein Vergleich von mindestens einem, den gemessenen Druckverlauf charakterisierenden berechneten Kennwert mit mindestens einem korrespondierenden vorgegebenen Kennwert, der den vorgegebenen Druckverlauf charakterisiert, erfolgt und danach die Ausgabe des durch den Vergleich ermittelten Betriebszustandes vorgenommen wird. Diesem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Fördermedium bzw. hydraulische Medium nicht nur das hydraulische Antriebsaggregat kennzeichnende und von dem Antriebsaggregat ausgehende Druckmerkmale transportiert werden können, sondern auch entsprechende Merkmale des von dem hydraulischen Medium betriebenen Aggregats oder Aktors.
Bei den Merkmalen kann es sich beispielsweise um mechanische Rückwirkungen handeln, die der Aktor durch Wechselwirkung mit seiner Umgebung erfährt und die sich in dem hydraulischen Medium fortpflanzen. Bei dem Aktor kann es sich beispielsweise um einen Antrieb einer Werkzeugmaschine handeln, der über die angetriebenen Werkzeuge mechanisch mit einem zu bearbeitenden Werkstück wechselwirkt, wodurch sich korrespondierende Druckverläufe in das hydraulische Fördermedium fortpflanzen, die in ähnlicher Weise auswertbar sind wie im Falle der Signale, die auf Betriebszustände von Pumpen zurückgehen. Dabei kann entweder ein im fehlerfreien Zustand aufgenommener vorgegebener Druckverlauf direkt mit einem gemessenen Druckverlauf verglichen werden, oder aber es wird ein mittelbarer Vergleich durchgeführt, indem aus dem vorgegebenen und gemessenen Druckverlauf ein charakteristischer Kennwert ermittelt wird und die Kennwerte einem Vergleich unterzogen werden.
Durch Detektion von charakteristischen Druckverläufen bzw. durch Ermittlung von Kennwerten aus den Druckverläufen in hydraulischen Zuleitungen eines Aktors lässt sich mit sehr geringem gerätetechnischen Aufwand eine präzise Qualitätsüberwachung realisieren, z. B. im Bereich der Umformtechnik (Stanzen, Biegen, Tiefziehen, Abkanten), aber es ist auch eine unmittelbare Verwertung der gewonnenen Informationen zur Beeinflussung der Steuerung möglich, wenn das erfindungsgemäße Verfahren unter Echtzeitbedingungen durchgeführt wird. Im Bereich spanender Fertigungsverfahren, die häufig mit einer starken Belastung von Maschine und Bearbeitungswerkzeugen einhergehen, eignet sich das Verfahren neben der Qualitätssicherung (z. B. Erkennen eines ratternden Vorschubs) darüber hinaus auch dazu, Werkzeugprobleme früh zu erkennen, wie z. B. Überbelastungen von Bohrern, Meißeln und Fräsköpfen, die unweigerlich zu deren Schädigung bzw. Zerstörung führen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Verfahrens handelt es sich bei den aus dem gemessenen und dem vorgegebenen Druckverlauf berechneten Kennwerten um die aus einer Schwingungsanalyse erhaltenen Parameter, insbesondere um die aus einer Fourieranalyse gewonnenen Parameter. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zum Vergleich der Druckverläufe Korrelationsverfahren herangezogen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel so ausgestaltet, dass in Abhängigkeit von wenigstens einer Beeinflussungsgröße nicht nur ein Kennwert, sondern mehrere, insbesondere verschiedene Kennwerte vorgegeben werden. Diese Kennwerte können bereichsweise konstant sein, sie können vorgegebene Kennwert-Kennlinien bilden, sie können aber auch – insbesondere bei Abhängigkeit der vorgegebenen Kennwerte von mehreren Beeinflussungsgrößen – Kennwert-Kennfelder bilden. Durch diese Maßnahme ist es ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäßen Verfahren in ganz unterschiedlichen Betriebsbereichen von Pumpen, Pumpenanlagen und hydraulischen Systemen mit Aktoren anzuwenden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn als Beeinflussungsgröße eine Zustandsgröße der Pumpe, der Pumpenanlage und/oder der Vorrichtung mit einem hydraulischen Aktor verwendet wird, wie z. B. Drehzahl, Körperschall, Temperatur, Strömung etc.
Alternativ oder zusätzlich ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, vorgebbare externe Beeinflussungsgrößen zu verwenden, die beispielsweise von einer externen Ansteuerung stammen können. Dies hat z. B. den Vorteil, dass gerade bei extremen Zustandsänderungen – wie beim Anfahren und Stoppen einer Pumpe, Pumpenanlage oder eines hydraulischen Aktors – sicher auf sich ändernde Randbedingungen des Betriebs reagiert werden kann und auf eine Überwachung des Betriebszustandes nicht verzichtet werden muss. Letzteres ist gerade bei bekannten Systemen der Fall, die sich bei harten transienten Vorgängen ausschalten bzw. die dann deaktiviert werden, was zwar nicht zu einem Abschalten der Pumpe, Pumpenanlage oder des hydraulischen Aktors führt, was gleichwohl aber in diesen sensiblen Betriebszuständen mit einem zeitweisen Beobachtungs- und Kontrollverlust über die Anlage einhergeht.
Nach einer weiteren eigenständigen Lehre der Erfindung ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch einen Sensor zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren gelöst, wobei mit dem Sensor eine Mess- und Auswerterate erzielbar ist, die mindestens doppelt so hoch ist, vorzugsweise mindestens fünfmal so hoch ist, wie der Kehrwert der Zeitkonstanten des schnellsten interessierenden Druck- und/oder Strömungsverlaufs. Wenn also Vorgänge im Druck- und/oder Strömungsverlauf erkannt werden sollen, die sich im Bereich von 10 ms abspielen, so ist es ratsam, die Vorgänge mit einem Sensor zu untersuchen, der Abtastraten im ms-Bereich realisiert. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors sind mit dem Sensor Mess- und Auswerteraten erzielbar, die mindestens 1 kHz, vorzugsweise mindestens 8 kHz betragen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Sensor um einen überlastfesten bzw. hochdruckfesten Drucksensor, der eine keramisch-kapazitive Druckmesszelle aufweist; dies ist beispielsweise besonders in dem Fall vorteilhaft, wenn der Betriebszustand einer Verdrängungspumpe beobachtet wird, bei der sehr schnell weitaus größere Drücke auftreten können als von einem für den Normalbetrieb ausgelegten Drucksensor aufnehmbar bzw. in korrespondierende Signale wandelbar sind.
Der erfindungsgemäße Sensor wird weiterhin bevorzugt mit einer Datenschnittstelle ausgestattet, über die der erkannte Betriebszustand ausgebbar ist und/oder über die der Sensor parametrierbar ist oder über die dem Sensor auch externe Daten – wie z. B. Mess- oder Auswertedaten eines anderen Sensors – übermittelt werden können.
Alternativ oder zusätzlich weist der Sensor einen Schaltausgang auf, der bei Erkennung eines Betriebszustandes schaltbar ist, wodurch sich besonders einfach Notfallschaltungen realisieren lassen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors weist der Sensor in seiner Messzelle ein Erregerelement auf, das in der Lage ist, Druckwellen in dem Fördermedium zu generieren, jedenfalls sofern der Sensor von dem Fördermedium umgeben ist. Damit ist es möglich, neben der passiven Druckmessung, aktiv Signale (Druckwellen) in das Fördermedium zu emittieren und z. B. anhand reflektierter Druckwellen, Informationen über das Fördermedium bzw. die von dem Fördermedium – zumindest teilweise – gefüllte Umgebung zu erhalten. Neben den reinen Druckinformationen lassen sich so mit dem Sensor auch Füllstandsinformationen bzw. Durchflussinformationen basierend auf dem Laufzeitprinzip gewinnen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Sensors ist das Erregerelement auf der Druckmesszelle des Sensors angeordnet oder die Membran der Druckmesszelle bildet selbst das Erregerelement. Dadurch sind sehr kompakte Bauformen realisierbar. Technisch ist der Sensor bevorzugt mit einem elektromechanischen Erregerelement auf Basis des Piezo-Effekts realisiert bzw. mit einer Piezomembran.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Sensors weist der Sensor beabstandet von seiner Messzelle ein Erregerelement auf, insbesondere ein elektromechanisches Erregerelement auf Basis des Piezo-Effekts, wobei das Erregerelement insbesondere an einem Bügel des Sensors fixiert ist. Durch die Beabstandung des Erregerelements kann eine Verfälschung der Messung durch Ablagerungen verhindert oder zumindest erschwert werden, da Ablagerungen sich an großflächigen Strukturen leichter festsetzen als an kleinen Strukturen, wie z. B. dem an einem kleinen Bügel fixierten Erregerelement. Diese Konstruktion hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Drucksensor des Sensors einfach kalibriert werden kann bzw. ein Nullpunktabgleich des Drucksensors bzw. der Druckmesszelle auf einfache Weise möglich ist, da definierte Drucksignale über das Erregerelement erzeugt werden können und das Erregerelement nicht direkt mir der Druckmesszelle in Verbindung steht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist dem Sensor ein Erregerelement zugeordnet, insbesondere ein elektromechanisches Erregerelement auf Basis des Piezo-Effekts, wobei das Erregerelement gegenüber dem Sensor ortsveränderlich anordenbar ist. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Sensoren mit Erregerelement am bzw. im Sensor ist das Erregerelement hier flexibel gegenüber dem eigentlichen Sensor beweglich, das Erregerelement ist gleichsam ein externer Trabant des Sensors und fungiert – wie in den anderen Fällen auch – als Signalgeber. Bei dieser Lösung kann eine Füllstands- oder eine Strömungsüberwachung auf direktem Wege erfolgen, also ohne dass die vom Erregerelement emittierten Signale (Druckwellen) an benachbarten Oberflächen reflektiert werden müssten. Das zugeordnete Erregerelement ist über wenigstens einen Datenkanal mit dem Sensor verbunden ist, wobei der Datenkanal insbesondere elektrisch, optisch oder elektromagnetisch ausgestaltet sein kann; das Erregerelement kann also über eine eigene Energieversorgung verfügen, die Zuordnung kann einzig in einer – codierten – Datenverbindung bestehen.
Die Erregerelemente der Sensoren werden bevorzugt so betrieben, dass sie im erregten Zustand Ultraschallwellen emittieren.
Nach einer weiteren unabhängigen Lehre der Erfindung ist die erfindungsgemäße Aufgabe mit einer Sensoranordnung gelöst mit einem ersten Sensor und einem zweiten Sensor mit jeweils einem Erregerelement, wobei die Sensoren voneinander beabstandet in einer Pumpe, einer Pumpenanlage oder einer Vorrichtung mit mindestens einem hydraulischen Aktor angeordnet sind und wobei das Erregerelement des ersten Sensors und das Erregerelement des zweiten Sensors in dem Fördermedium Wellen emittieren, die von dem ersten und/oder zweiten Sensor empfangen werden, wobei über eine Auswertung der Laufzeitunterschiede der emittierten Wellen in Förderrichtung und entgegen der Förderrichtung die Fließgeschwindigkeit des Fördermediums ermittelt wird.
Bei der Sensoranordnung werden bevorzugt entweder zwei Sensoren mit in den Sensor integrierten Erregerelementen verwendet oder aber Sensoren mit jeweils von dem Sensorelement ortsveränderlich anordenbaren Erregerelementen. Im ersten Fall werden die vom Erregerelement des ersten Sensors emittierten Wellen von dem zweiten Sensor empfangen und werden umgekehrt die vom Erregerelement des zweiten Sensors emittierten Wellen vom ersten Sensor empfangen. Im zweiten Fall emittiert jedes einem Sensor zugeordnete Erregerelement genau die Wellen, die von dem zugeordneten Sensor des Erregerelements empfangen werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist ferner mit einem Diagnosegerät gelöst, das zur Erfassung des Betriebszustandes einer Pumpe in einer Pumpenanlage zum Transport eines flüssigen Fördermediums oder zur Erfassung des Betriebszustandes eines hydraulischen Aktors mit einem ersten Sensor zur Erfassung des Druck- und/oder Strömungsverlaufs innerhalb des Fördermediums ausgestattet ist, wie er zuvor beschrieben worden ist, und darüber hinaus mit einem zweiten Sensor ausgestattet ist, wobei die üblicherweise zum Betrieb des zweiten Sensors erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten – zumindest teilweise – von dem ersten Sensor bereitgestellt werden und/oder die üblicherweise zum Betrieb des ersten Sensors erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten – zumindest teilweise – von dem zweiten Sensor bereitgestellt werden.
Die zuvor beschriebene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Diagnosegeräts ist in vielerlei Hinsicht vorteilhaft, beispielsweise deshalb, weil zumindest eine Datenquelle eingespart werden kann, nämlich die, die zuvor extern vorgesehen werden musste zur Speisung des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors. Dadurch lassen sich erhebliche Einsparungseffekte erzielen bei gleichzeitig verbesserten Diagnosemöglichkeiten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Diagnosegeräts handelt es sich bei dem zweiten Sensor um einen Schwingungssensor zur Erfassung der Körperschwingungen der Anlage, insbesondere solcher Körperschwingungen, die nicht oder nur schlecht über das flüssige Fördermedium weitergeleitet werden. Damit lassen sich auch insbesondere solche Zustandsdaten der Pumpe ermitteln, die beispielsweise den Verschleiß der in der Pumpe verwendeten Lager kennzeichnen.
Bei den zum Betrieb des zweiten Sensors erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten kann es sich einerseits um Messdaten handeln, die dem zweiten Sensor insbesondere über eine analoge, digitale oder auch manuelle Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Unter manueller Schnittstelle wird hier eine Bedienschnittstelle (z. B. Folientastatur) des Geräts verstanden, über die sich beispielsweise bestimmte Kenndaten eingegeben werden können.
Bei den extern bereitzustellenden Daten kann es sich z. B. um die Drehzahl der Pumpe handeln, die in der Pumpenanlage eingesetzt wird. Die Drehzahl der Pumpe lässt sich durch einen als Drucksensor ausgestalteten ersten Sensor des Diagnosegeräts ermitteln, sofern – im Fall der Fliehkraftpumpe – die Anzahl der Schaufelräder bekannt ist und die Pulsation des Druckverlaufs mit Hilfe des als Drucksensor ausgestalteten ersten Sensors erfasst wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Diagnosegeräts werden die von dem ersten Sensor gewonnenen Mess- und Betriebszustandsdaten unterstützend zur Auswertung der vom zweiten Sensor gewonnenen Messdaten herangezogen, und/oder es werden die von dem zweiten Sensor gewonnenen Mess- und Betriebszustandsdaten unterstützend zur Auswertung der von dem ersten Sensor gewonnenen Messdaten herangezogen. Dadurch lässt sich ein weiterer Synergieeffekt erzielen, da durch Kombination der von den beiden Sensoren separat gewonnenen Daten eine besonders genaue und qualitativ hochwertige Bestimmung des Betriebszustandes der Pumpen möglich ist, wie es durch alleinige Heranziehung nur der von dem ersten Sensor gewonnenen Daten oder nur der von dem zweiten Sensor gewonnenen Daten nicht möglich wäre. Dies ist besonders einfach für den Fall vorstellbar, dass die von dem ersten und dem zweiten Sensor gewonnenen Messdaten zur wechselseitigen Elimination der gegenseitigen Beeinflussung verwendet werden, beispielsweise durch Filterung unerwünschter Einflüsse einerseits des von dem ersten Sensor aufgenommenen Druck- bzw. Strömungsverlaufs auf die von dem zweiten Sensor erfassten Körperschwingung und/oder andererseits der von dem zweiten Sensor erfassten Körperschwingung auf den durch den ersten Sensor erfassten Druck- bzw. Strömungsverlauf.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäßen Verfahren, den erfindungsgemäßen Sensor und das erfindungsgemäße Diagnosegerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1, 6, 10, 14 und 26 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung jeweils eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 einen erfassten Druckverlauf innerhalb des Fördermediums einer Pumpenanlage zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Verfahren,
2 ein Diagramm zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 einen weiteren Druckverlauf in einer Pumpenanlage zur Verdeutlichung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors und
5 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Diagnosegeräts.
Anhand der 1 und 2 wird zunächst ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
1 zeigt einen in einem ersten Verfahrensschritt erfassten Druckverlauf P(t), der im Fördermedium an einer Stelle im Ausstrombereich einer in einer Pumpenanlage betriebenen Pumpe aufgenommen worden ist. Der Druckverlauf P(t) ist charakteristisch für die in der Pumpenanlage betriebene Pumpe und lässt sowohl Rückschlüsse zu auf den Typ und bestimmte konstruktiven Eigenschaften der Pumpe als auch auf den Betriebszustand, in dem sich die Pumpe befindet.
2 zeigt, dass in einem zweiten Verfahrensschritt aus dem Druckverlauf P(t) Kennwerte K_kal gewonnen werden, nach einer Berechnungsvorschrift, die weiter unten näher erläutert wird. Bei dem erfassten Druckverlauf P(t) handelt es sich üblicherweise nicht um einen zeitlich kontinuierlichen Verlauf sondern um die Aneinanderreihung vieler durch zeitdiskrete Messungen gewonnener Messpunkte. Über den zeitlichen Druckverlauf P(t) hinweg werden dabei in aufeinaderfolgenden Berechnungs-Zeitintervallen Δt_B Kennwerte K_kal berechnet, was in 2 durch Punkte auf dem durchgezogenen Kurvenverlauf veranschaulicht ist. Nach jedem Berechnungs-Zeitintervall Δt_B wird so auf Grundlage des erfassten Druckverlaufs P(t) ein neuer Kennwert K_kal berechnet und mit einem vorgegebenen Kennwert K_vor verglichen, wobei der vorgegebene Kennwert K_vor einem interessierenden Betriebszustand der Pumpe entspricht. Durch Vergleich der Lage des berechneten Kennwertes K_kal zu dem vorgegebenen Kennwert K_vor lässt sich folglich der Betriebszustand ermitteln, in dem sich die Pumpe aktuell befindet, wobei der Betriebszustand in jedem Berechnungs-Zeitintervall Δt_B neu bewertet und in einem weiteren Verfahrensschritt ausgegeben wird, was in 2 durch das untere mit ”Diagnose” bezeichnete Diagramm angedeutet ist.
Der in 1 dargestellte Druckverlauf P(t) ist von einer Fliehkraftpumpe erzeugt worden, und die zu erkennende Pulsation des Druckverlaufs P(t) geht unter anderem auf die Wirkung jedes einzelnen Schaufelrades der Fliehkraftpumpe zurück. Der dargestellte Druckverlauf P(t) ist nicht maßstabsgerecht dargestellt, er soll lediglich die grundsätzlich beobachtbaren Verhältnisse beschreiben.
Die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens berechneten Kennwerte K_kal charakterisieren die Pulsation des Druckverlaufs P(t) in dem Berechnungs-Zeitintervall Δt_B, wobei das Berechnungs-Zeitintervall Δt_B im dargestellten Beispiel so viele Pulsationsereignisse umfasst, die einem vollständigen Umlauf der druckerzeugenden Pumpenelemente entsprechen, im vorliegenden Fall einem vollständigen Umlauf des Schaufelrads der Fliehkraftpumpe. Die in 2 dargestellten berechneten Kennwerte K_kal charakterisieren als Pulsationsquotient die Pulsation des in 1 dargestellten Druckverlaufs P(t). Zur Berechnung des Pulsationsquotienten wird der Quotient aus der Differenz des in dem Berechnungs-Zeitintervall Δt_B maximalen und minimalen Fördermediumdrucks (P_max – P_min) und einem Mittelwert P_mitt des Fördermediumdrucks berechnet, der damit den maximalen Ausschlag des Druckverlaufs P(t) ins Verhältnis setzt zu dem im Mittel vorliegenden Druck P_mitt. Als Mittelwert wird in dem dargestellten Verfahren der arithmetische Mittelwert verwendet.
Der vorgegebene Kennwert K_vor kann als solcher dem Verfahren vorgegeben werden, im vorliegenden Fall wird der vorgegebene Kennwert K_vor jedoch durch Einlernen innerhalb eines Einlern-Zeitintervalls ermittelt. Im dargestellten Verfahren wird der vorgegebene Kennwert K_vor wie der berechnete Kennwert K_kal zu Beginn des Verfahrens innerhalb eines Einlern-Zeitinervalls ermittelt, wobei sich die Pumpe während des Einlern-Zeitintervalls in einem fehlerfreien Betriebszustand befindet. Das Einlern-Zeitintervall umfasst dabei mehrere Berechnungs-Zeitintervalle Δt_B, um eine bessere Glättung zu erzielen. In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausgestaltung des Verfahrens werden mehrere vorgegebene Kennwerte K_vor in mehreren Einlern-Zeitintervallen ermittelt, wobei die so erhaltenen mehreren vorgegebene Kennwerte K_vor abschließend durch Mittelwertbildung zu einem einzigen vorgegebenen Kennwert K_vor zusammengefasst werden.
3 zeigt die Situation bei Berechnung eines anderen Kennwertes K_kal aus dem erfassten Druckverlauf P(t), der nämlich die zeitliche Veränderung des erfassten Druckverlaufs P(t) charakterisiert. In dem dargestellten Verfahren wird der Kennwert K_kal durch Berechnung des Differenzenquotienten aus aufeinanderfolgend gemessenen Fördermedium-Drücken ermittelt. Entsprechend gibt der vorgegebene – hier nicht dargestellte – Kennwert K_vor eine maximale zeitliche Änderung des Druckverlaufs P(t) vor, was insbesondere beim Betrieb von Verdrängungspumpen von Wichtigkeit ist, insbesondere wenn ausströmseitige Blockaden der Pumpe bzw. der Pumpenanlage detektiert und vermieden werden sollen.
In dem in 2 dargestellten Verfahren ist ein Toleranzband um den vorgegebenen Kennwert K_vor gelegt worden, so dass ein unterer vorgegebener Kennwert K_vor,u und ein oberer vorgegebener Kennwert K_vor,o resultiert, wobei das Toleranzband den vorgegebenen Kennwert K_vor im vorliegenden Fall symmetrisch umgibt. Bei dem verfahrensgemäßen Vergleich der berechneten Kennwerte K_kal mit den durch die vorgegebenen Kennwerte K_vor,o und K_vor,u definierten Toleranzbereich eines akzeptierten und zulässigen Betriebszustandes der Pumpe kann also festgestellt werden, ob die Pumpe möglicherweise gefährdet ist oder nicht. In dem in 2 dargestellten Verfahren wird jede Über- bzw. Unterschreitung des Toleranzbandes durch Ausgabe eines Diagnosesignals angezeigt.
Es ist denkbar, dass nicht jedes Überschreiten des Toleranzbandes durch den berechneten Kennwert K_kal sofort zur Ausgabe eines Fehlersignals führen soll, beispielsweise um ein überempfindliches Reagieren des Verfahrens zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens vorgesehen, dass der Verlauf des berechneten Kennwertes K_kal durch Berechnung des gleitenden gewichteten arithmetischen Mittels geglättet wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung dieser gewichteten arithmetischen Mittelwertbildung wird der aktuell berechnete Kennwert K_kal einfach gewichtet und der zuvor berechnete Kennwert K_kal mit dem Faktor 1 bis 10 gewichtet, so dass erst bei erheblicher oder aber mehrfacher geringfügiger Über- oder Unterschreitung des Toleranzbandes bzw. des vorgegebenen Kennwertes K_vor ein Fehlersignal erzeugt wird.
In einem weiteren hier nicht dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Abweichung des berechneten Kennwertes K_kal von dem vorgegebenen Kennwert K_vor nicht nur durch eine binäres Signal – Abweichung liegt vor bzw. liegt nicht vor – angezeigt, sondern es wird auch der Grad der Abweichung deutlich gemacht.
In dem in 2 dargestellten Verfahren entspricht der Abstand des unteren vorgegebenen Kennwertes K_vor,u und der Abstand des oberen vorgegebenen Kennwerts K_vor,o jeweils 50% des vorgegebenen Kennwertes K_vor.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1 zur Durchführung der zuvor beschreibenden Verfahren. Mit dem Sensor 1 ist eine Mess- und Auswerterate erzielbar, die fünfmal so hoch ist wie der Kehrwert der Zeitkonstante des schnellsten interessierenden Druckverlaufs P(t). In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Sensor 1 um einen Drucksensor mit einer Abtastrate von 8 kHz. Der Sensor 1 weist eine keramisch-kapazitive Druckmesszelle 2 auf, die hochdruckfest bzw. überlastfest ist, nämlich über eine anlegbare Membran verfügt, die sich selbst bei sehr hohen Druckbelastungen so an einer Unterlage der Druckmesszelle 2 abstützt, dass eine Zerstörung oder Veränderung des Messverhaltens der Druckmesszelle 2 vermieden wird. Die Kapazität der Druckmesszelle 2 wird nach dem Prinzip der time-to-digital-Wandlung durch einen integrierten time-to-digital-Konverter 3 ermittelt und von der Auswerteeinheit 4 in einen entsprechenden Druckwert gewandelt.
Der Drucksensor 1 gemäß 4 weist ferner eine Datenschnittstelle 5 auf, über die der erkannte Betriebszustand ausgebbar ist, wobei die Datenschnittstelle 5 mehrere physikalische Ausgänge aufweist, im vorliegenden Fall einen binären Schaltausgang, der bei Erkennung eines Betriebszustandes geschaltet wird, und darüber hinaus einen analogen Ausgang, über den verschiedene Betriebszustände differenziert kenntlich gemacht werden können. Ein anderes, hier nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors weist hingegen eine Datenschnittstelle 5 mit einem seriellen Schnittstellenprotokoll auf.
In einem weiteren bevorzugten, hier jedoch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Sensors 1 umfasst der Sensor 1 zusätzlich noch eine Anzeigeeinheit zur Darstellung des Betriebszustandes oder alternativ zur Darstellung der Abweichung von einem Betriebszustand.
Bei einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors können dem Sensor 1 über die Datenschnittstelle 5 auch Daten von extern mitgeteilt werden, beispielsweise analoge und/oder digitale Messdaten.
5 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diagnosegeräts 7 zur Erfassung des Betriebszustandes einer Pumpe in einer Pumpenanlage zum Transport eines flüssigen Fördermediums oder zur Erfassung des Betriebszustandes einer Vorrichtung mit mindestens einem hydraulischen Aktor (im folgenden nur noch als Betriebszustand bezeichnet), mit einem ersten Sensor 1 zur Erfassung des Druckverlaufs innerhalb des Fördermediums bzw. des hydraulischen Mediums, wobei es sich bei dem Sensor 1 um eine Variante des zuvor in 4 beschriebenen Sensors 1 handelt. Das Diagnosegerät 7 weist einen zweiten Sensor 6 auf, wobei die üblicherweise zum Betrieb des zweiten Sensors 6 erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten – zumindest teilweise – von dem ersten Sensor 1 bereitgestellt werden und die üblicherweise zum Betrieb des ersten Sensors 1 erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten – zumindest teilweise – von dem zweiten Sensor 6 bereitgestellt werden. Durch diese Kombination des ersten Sensors 1 und des zweiten Sensors 6 lassen sich erhebliche Kosteneinsparungen erzielen gegenüber einem Diagnosegerät, das aus zwei separaten Sensoren 1 und 6 zusammengestellt wird.
In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Sensor 6 ein Schwingungssensor zur Erfassung der Körperschwingungen der Anlage. Vorteilhaft an dem in 5 dargestellten Diagnosegerät 7 ist nicht nur, dass die von dem ersten Sensor 1 benötigten Daten – zumindest teilweise – von dem zweiten Sensor 6 lieferbar sind und umgekehrt, sondern vorteilhaft ist auch, dass das Diagnosegerät 7 lediglich eine einzige gemeinsame Auswerteeinheit 4 verwendet, wodurch sich weitere erhebliche Einsparungen erzielen lassen gegenüber der einfachen Kombination zweier separater Sensoren, insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass es sich bei der Auswerteeinheit 4 angesichts der notwendigen Berechnungen um einen vergleichsweise teuren digitalen Signalprozessor handelt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Diagnosegeräts 7 besteht darin, dass die von dem ersten Sensor 1 gewonnenen Mess- und Betriebszustandsdaten unterstützend zur Auswertung der vom zweiten Sensor 6 gewonnenen Messdaten herangezogen werden und die von dem zweiten Sensor 6 gewonnenen Mess- und Betriebszustandsdaten unterstützend zur Auswertung der von dem ersten Sensor 1 gewonnenen Messdaten herangezogen werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die von dem Sensor 6 erfassten Körperschwingungen bzw. deren Einfluss auf den vom ersten Sensor 1 erfassten Druckverlauf P(t) aus diesem Druckverlauf P(t) herausgefiltert, so dass durch Anwendung des Diagnosegeräts 7 ein ”reinerer” Druckverlauf P(t) ermittelt werden kann als dies durch alleinigen Einsatz eines einzelnen Drucksensors möglich wäre. Umgekehrt wird in dem dargestellten Diagnosegerät 7 auch der Einfluss des Druckverlaufs P(t) auf die vom zweiten Sensor 6 erfassten Körperschwingungen aus den erfassten Körperschwingungen herausgerechnet, so dass insgesamt eine schärfere Beurteilung des Betriebszustandes möglich ist und unerwünschte Betriebszustände sicherer erfasst werden können als bei der Verwendung zweier separater Sensoren.
In einem anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Diagnosegeräts 7 umfasst das Diagnosegerät 7 zusätzlich eine Anzeige- und Eingabeeinheit, über die die ermittelten Betriebszustände anzeigbar und das Diagnosegerät 7 parametrierbar ist.
Abschließend seien noch zwei wesentliche Aspekte angesprochen:
Einerseits ist zuvor überwiegend von Pumpen die Rede, also von aktiven Pulsationserregern. Die Lehren der Erfindung sind jedoch ohne weiteres auch dann anwendbar, wenn auch oder nur passive Pulsationserreger vorhanden sind, und zwar sowohl solche, deren mediumsberührenden Teile nicht bewegbar sind als auch solche, die Teile aufweisen, die ausschließlich durch das strömende Medium und/oder durch dessen Druckschwankungen bewegt werden; zu denken ist z. B. an Blenden, Drosseln, Ventile und Klappen.
Andererseits gehört zu den Lehren der Erfindung auch, dass ermittelte Betriebszustände ausgegeben werden, z. B. über einen Schaltausgang. In diesem Zusammenhang kann ergänzend vorgesehen werden, was auch zu den erfindungsgemäßen Lehren gehört, dass eine Hysterese, unter Umständen eine beachtliche große Hysterese, verwirklicht wird, so dass bei einem bestimmten Detektionswert der Schaltausgang einschaltet (oder ausschaltet), aber erst bei einem geringeren, unter Umständen bei einem wesentliche geringeren Detektionswert wieder ausschaltet (oder einschaltet).

Claims

Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Pumpe, insbesondere einer Fliehkraft- oder Verdrängungspumpe, in einer Pumpenanlage, mit den Verfahrensschritten: Erfassung mindestens eines Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) in der Pumpenanlage, Berechnung mindestens eines Kennwertes K_kal aus dem Druck- oder Strömungsverlauf P(t), Vergleich des berechneten Kennwertes K_kal mit mindestens einem vorgegebenen Kennwert K_vor oder mit einem von dem Kennwert K_vor begrenzten Kennwertbereich, wobei der vorgegebene Kennwert K_vor oder der durch K_vor begrenzte Kennwertbereich einem interessierenden Betriebszustand der Pumpe entspricht, und Ausgabe des durch den Vergleich ermittelten Betriebszustandes, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Kennwert K_kal die Pulsation des Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) in einem Berechnungs-Zeitintervall Δt_B charakterisiert, wobei als berechneter Kennwert K_kal ein Pulsationsquotient berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck- oder Strömungsverlauf P(t) in der Nähe des Ausströmbereichs der Pumpe erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnungs-Zeitintervall Δt_B insbesondere mindestens ein Pulsationsereignis umfasst, vorzugsweise mindestens so viele Pulsationsereignisse umfasst, die einem vollständigen Umlauf der druckerzeugenden Pumpenelemente entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsationsquotient der Quotient ist aus der Differenz des und/oder der in dem Berechnungs-Zeitintervall Δt_B aufgetretenen maximalen und minimalen Fördermediumdrucks und/oder -strömung (P_max; P_min) und einem Mittelwert P_mitt des und/oder der Fördermediumdrucks und/oder -strömung in dem Berechnungs-Zeitintervall Δt_B, wobei als Mittelwert P_mitt bevorzugt der arithmetische Mittelwert verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Kennwert K_vor wie der berechnete Kennwert K_kal zu Beginn des Verfahrens innerhalb eines Einlern-Zeitintervalls ermittelt wird, wobei die Pumpe sich während des Einlern-Zeitintervalls in einem interessierenden Betriebszustand befindet, insbesondere in einem fehlerfreien Betriebszustand, und wobei das Einlern-Zeitintervall bevorzugt mehrere Berechnungs-Zeitintervalle Δt_B umfasst.
Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Pumpe, insbesondere einer Fliehkraft- oder Verdrängungspumpe, in einer Pumpenanlage, mit den Verfahrensschritten: Erfassung mindestens eines Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) in der Pumpenanlage, Berechnung mindestens eines Kennwertes K_kal aus dem Druck- oder Strömungsverlauf P(t), Vergleich des berechneten Kennwertes K_kal mit mindestens einem vorgegebenen Kennwert K_vor oder mit einem von dem Kennwert K_vor begrenzten Kennwertbereich, wobei der vorgegebene Kennwert K_vor oder der durch K_vor begrenzte Kennwertbereich einem interessierenden Betriebszustand der Pumpe entspricht, und Ausgabe des durch den Vergleich ermittelten Betriebszustandes, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Kennwert K_kal die zeitliche Veränderung des Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) charakterisiert, insbesondere durch Berechnung des Differenzenquotienten aus aufeinanderfolgend gemessenen Fördermediumdrücken oder -strömungen, wobei der vorgegebene Kennwert K_vor eine maximale/minimale zeitliche Änderung des Druck- oder Strömungsverlaufs P(t) vorgibt, insbesondere der vorgegebene Kennwert K_vor für einen bestimmten Druck oder Strömungsbereich des Fördermediumdrucks vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass um oder an den vorgegebenen Kennwert K_vor ein Toleranzband gelegt wird, so dass ein unterer vorgegebener Kennwert K_vor,u und/oder ein oberer vorgegebener Kennwert K_vor _,o resultiert, wobei das Toleranzband den vorgegebenen Kennwert K_vor insbesondere symmetrisch umgibt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des unteren vorgegebenen Kennwerts K_vor,u und/oder der Abstand des oberen vorgegebenen Kennwerts K_vor,u zu dem vorgegebenen Kennwert K_vor 10% bis 90% – bevorzugt 50% – des vorgegebenen Kennwertes K_vor entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des berechneten Kennwerts K_kal durch Berechnung des gleitenden gewichteten arithmetischen Mittels geglättet wird, insbesondere unter 1- bis 10-facher Gewichtung des zuvor berechneten Kennwerts K_kal.
Verfahren zur Erkennung des Betriebszustandes einer Vorrichtung mit mindestens einem hydraulischen Aktor mit den folgenden Verfahrensschritten: Erfassung des Druckverlaufs P(t) in dem hydraulischen Aktor oder in der Zuleitung zu dem hydraulischen Aktor, Vergleich des gemessenen Druckverlaufs P(t) mit mindestens einem vorgegeben Druckverlauf P_vor(t) und/oder Vergleich von mindestens einem, den gemessenen Druckverlauf P(t) charakterisierenden berechneten Kennwert K_kal mit mindestens einem korrespondierenden Kennwert K_vor, der den vorgegebenen Druckverlauf P_vor(t) charakterisiert, und Ausgabe des durch den Vergleich ermittelten Betriebszustandes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem gemessenen und dem vorgegebenen Druckverlauf P(t) berechneten Kennwerte K_kal bzw. K_vor auf einer Schwingungsanalyse, insbesondere einer Fourieranalyse (Amplitudenspektrum) beruhen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von wenigstens einer Beeinflussungsgröße verschiedene Kennwerte K_vor vorgegeben werden, insbesondere in Form von vorgegebenen Kennwert-Kennlinien bzw. vorgegebenen Kennwert-Kennfeldern.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussungsgröße eine Zustandsgröße der Pumpe und/oder der Pumpenanlage und/oder der Vorrichtung mit einem hydraulischen Aktor oder eine – insbesondere durch eine externe Ansteuerung – vorgebbare externe Beeinflussungsgröße ist.
Sensor zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Sensor (1) vorzugsweise hochdruckfest ist und mit dem Sensor (1) eine Mess- und Auswerterate erzielbar ist, die mindestens doppelt so hoch ist, vorzugsweise mindestens fünf mal so hoch ist, wie der Kehrwert der Zeitkonstante des schnellsten interessierenden Druck- und/oder Strömungsverlaufs P(t).
Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mess- und Auswerterate erzielbar ist, die mindestens 1 kHz, vorzugsweise jedoch mindestens 8 kHz beträgt.
Sensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine keramisch-kapazitive Druckmesszelle (2) aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Drucks und/oder der Strömung bzw. der korrespondierenden Messgrößen nach dem Prinzip der time-to-digital-Wandlung erfolgt, insbesondere mit einem integrierten time-to-digital-Konverter (3).
Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) eine Datenschnittstelle (5) aufweist, über die der erkannte Betriebszustand ausgebbar ist und/oder dass der Sensor (1) einen Schaltausgang aufweist, der bei Erkennung eines Betriebszustandes geschaltet wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in seiner Messzelle ein Erregerelement aufweist, insbesondere ein elektromechanisches Erregerelement auf Basis des Piezo-Effekts.
Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerelement auf der Membran der Druckmesszelle des Sensors angeordnet ist oder die Druckmesszelle des Sensors selbst im wesentlichen aus einer Piezomembran besteht.
Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor beabstandet von seiner Messzelle ein Erregerelement aufweist, insbesondere ein elektromechanisches Erregerelement auf Basis des Piezo-Effekts, wobei das Erregerelement insbesondere an einem Bügel des Sensors fixiert ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor ein Erregerelement zugeordnet ist, insbesondere ein elektromechanisches Erregerelement auf Basis des Piezo-Effekts, wobei das Erregerelement gegenüber dem Sensor ortsveränderlich anordenbar ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeordnete Erregerelement über einen Datenkanal mit dem Sensor verbunden ist, wobei der Datenkanal insbesondere elektrisch, optisch oder elektromagnetisch ausgestaltet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerelement im erregten Zustand Ultraschallwellen emittiert.
Sensoranordnung mit einem ersten Sensor und einem zweiten Sensor nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die Sensoren voneinander beabstandet in einer Pumpe, einer Pumpenanlage oder einer Vorrichtung mit mindestens einem hydraulischen Aktor angeordnet sind und das Erregerelement des ersten Sensors und das Erregerelement des zweiten Sensors in dem Fördermedium Wellen emittieren, die von dem ersten und/oder zweiten Sensor empfangen werden, wobei über eine Auswertung der Laufzeitunterschiede der emittierten Wellen in Förderrichtung und entgegen der Förderrichtung die Fließgeschwindigkeit des Fördermediums ermittelt wird.
Diagnosegerät zur Erfassung des Betriebszustandes einer Pumpe in einer Pumpenanlage zum Transport eines flüssigen Fördermediums mit einem ersten Sensor (1) zur Erfassung des Druckverlaufs innerhalb des Fördermediums nach einem der Ansprüche 14 bis 24 und mit einem zweiten Sensor (6), wobei die üblicherweise zum Betrieb des zweiten Sensors (6) erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten – zumindest teilweise – von dem ersten Sensor (1) bereitgestellt werden und/oder die üblicherweise zum Betrieb des ersten Sensors (1) erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten – zumindest teilweise – von dem zweiten Sensor (6) bereitgestellt werden.
Diagnosegerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (6) ein Schwingungssensor zur Erfassung der Körperschwingungen der Anlage ist.
Diagnosegerät nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zum Betrieb des zweiten Sensors (6) erforderlichen und von extern bereitzustellenden Daten um Messdaten und/oder Parametrierungsdaten handelt, die dem zweiten Sensor (6) insbesondere über eine analoge und/oder digitale und/oder manuelle Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden.
Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den vom ersten Sensor (1) bereitgestellten Daten um die Drehzahl der Pumpe handelt.
Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem ersten Sensor (1) gewonnenen Mess- und Betriebszustandsdaten unterstützend zur Auswertung der vom zweiten Sensor (6) gewonnenen Messdaten herangezogen werden und/oder die von dem zweiten Sensor gewonnenen Mess- und Betriebszustanddaten unterstützend zur Auswertung der von dem ersten Sensor (1) gewonnenen Messdaten herangezogen werden, insbesondere durch Filterung unerwünschter Einflüsse einerseits des Druck- bzw. Strömungsverlaufs auf die Körperschwingung und/oder andererseits der Körperschwingung auf den Druck- bzw. Strömungsverlauf.
Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Sensor (1) und die vom zweiten Sensor (6) gewonnenen Messdaten in einer gemeinsamen Auswerteeinheit (4) ausgewertet werden.