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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verschleißbestimmung
an einer Pumpe, insbesondere an einer Schneckenpumpe gemäß Patentanspruch
1.
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Stand der Technik
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Schneckenpumpen
bestehen aus mindestens einem spindelförmigen, stahlartigen Rotor,
der in einem Statorgehäuse,
dessen Statorstahlwandung innen meist gummiartig einige Millimeter
bis Zentimeter dick beschichtet ist, rotiert. Da Schneckenpumpen meist
zur Beförderung
schlammartiger Medien, die auch Partikel enthalten können, eingesetzt
werden, kommt es zu einer Abnutzung bzw. Abrasion der gummiartigen,
elastischen Beschichtung im Stator während einer entsprechenden
Betriebszeit. Die Schichtdicke selbst oder die leichte oder nicht
mehr vorhandene Quetschung der elastischen Beschichtung des Stators
durch den Rotor kann zur Abnutzungsbestimmung verwendet werden bzw.
für den Zeitpunkt,
wann der Stator gegen einen neuen ausgetauscht werden sollte. Die
Schichtdicke der Gummibeschichtung im Stator in herkömmlichen
Schneckenpumpen wird derzeit nicht zerstörungsfrei gemessen.
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Derzeit
wird nach einer empirisch ermittelten Anzahl an Betriebsstunden
vorsorglich oder erst nach dem Ausfall der Schneckenpumpe der Stator ausgetauscht.
Es besteht auch die Möglichkeit, über eine
Druckgradientenmessung zwischen Pumpeneingang und Pumpenausgang
auf einen Verschleiß rückzuschließen, jedoch
ist der messtechnische Aufwand hoch und teils problematisch, da
eine solche Messung auch stark von den Viskositätsparametern des geförderten
Mediums abhängig
ist. Schneckenpumpen werden teils auch als Spindelpumpen bezeichnet.
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Angesichts
des vorstehenden Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, eine Schneckenpumpe durch eine geeignete Sensorik
derart weiterzubilden, dass der Verschleiß am Stator bestimmt und dadurch
ein kontinuierlicher Einsatz der Schneckenpumpe verbessert werden
kann.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist die Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gekennzeichnet.
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Vorteilhafte
Erweiterungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht von einer Anordnung, umfassend eine Pumpe zur Förderung
von flüssigen Medien,
insbesondere Klärschlamm
und höherviskose
Medien, mit wenigstens einem Rotor in einem Stator aus, wobei zwischen
dem Rotor und dem Stator als umgebendes Gehäuse eine zusätzliche,
verschleißbare,
elastische Beschichtung am Gehäuse angeordnet
ist.
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Der
Kern der Erfindung liegt darin, dass ein Sensor eine Dicke der Beschichtung
erfasst und eine zu der Anordnung gehörende Auswerte-Einrichtung eine
kritische Dicke der Beschichtung erfasst und signalisiert.
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Anstelle
von empirischen, ungenauen Verschleißschätzungen der Beschichtung im
Stator ist eine repetitive, kontinuierliche Messung der Schichtdicke
der Beschichtung im Stator vorgesehen.
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Diese
kann mit Hilfe zweier direkter oder durch ein indirektes Messverfahren
ausgeführt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Sensor den Abstand zwischen Grenzschichten (9) und
(10) der Beschichtung erfasst, wobei der Sensor insbesondere die
Grenzschicht (9) zwischen dem Gehäuse und der Beschichtung und
die Grenzschicht (10) zwischen der Beschichtung und dem
flüssigen
Medium als auch die Grenzschicht (11) des Rotors erfasst,
wobei der Sensor insbesondere als Ultraschallsensor ausgebildet
ist.
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In
einer überdies
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das
Gehäuse eine Öffnung bis
zu der Beschichtung hin aufweist, durch welche der Sensor die Dicke
der Beschichtung erfasst.
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Darüber hinaus
ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass
innerhalb der Beschichtung Messfühler
des Sensors angeordnet sind, wobei die Messfühler des Sensors insbesondere
als Messfilamente (15a bis 15e) ausgebildet sind.
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Überdies
ist es in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass innerhalb
der Beschichtung wenigstens ein Messkanal (20) angeordnet
ist, mittels welchem von dem Sensor das Erreichen einer Mindestdicke
der Beschichtung detektierbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
innerhalb der Beschichtung ein kapazitiver Sensor angeordnet ist,
welcher einen Abstand zu einer Grenzschicht zwischen der Beschichtung
und einem inneren flüssigen
Medium erfasst.
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Zusätzlich ist
in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die
Kapazitätsmessung
zwischen einer Kontaktfläche
des Sensors (31) und dem inneren flüssigen Medium (30)
erfolgt, wobei das Medium (30) in Verbindung mit dem Pumpenmetallgehäuse steht.
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Überdies
ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass
die Kapazitätsmessung
zwischen zwei Kontaktflächen
des Sensors (31) über
das innere flüssige
Medium (30) erfolgt, welches leitfähig ausgebildet ist.
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Weitere
Merkmale der Erfindung gehen aus den nachfolgenden Figurenbeschreibungen
zu den hier dargestellten Zeichnungsfiguren hervor.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Ausschnitt einer Schneckenpumpe mit spindelförmigem Rotor, gummibeschichteter
Statorstahlwandung und Bohrung mit angekoppeltem Ultraschall Transducer;
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2 einen
Sensoraufbau, bestehend aus Messdrahtfilamenten, einer Einheit zur
Zusammenführung
der Messdrähte,
zur Signalvorverarbeitung und einem Anschlusskabel. Der Sensor ist
in einer Gummibeschichtung einvulkanisiert;
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3 einen
Ausschnitt aus einer Schneckenpumpe mit spindelförmigem Rotor, gummibeschichteter
Statorstahlwandung mit einem Messkanal in der Beschichtung und seitlich
angeschlossenem Drucksensor;
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4.1/4.2 einen Aufbau einer Vorrichtung
zur optischen Reflektionsschichtdickenmessung an einer Beschichtung;
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5 einen
Aufbau eines kapazitiven Abstandssensors in der Beschichtung auf
einer Statorstahlwandung einer Schneckenpumpe.
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In 1 ist
eine Anordnung zur Schichtdickenmessung einer Beschichtung 2,
die insbesondere eine Silikongummibeschichtung sein kann, im Inneren
einer Stahlwandung, insbesondere in einer Statorstahlwandung 3,
durch einen von außen
angekoppelten Ultraschall-Transducer 5 dargestellt. Die Schichtdickenmessung
ermöglicht
Rückschlüsse auf eine
Veränderung
der Schichtdicke der Beschichtung 2 aufgrund einer Abrasion.
Durch eine von außen eingebrachte
Gewindebohrung 12 in den Statorstahlmantel 3 lässt sich über ein
Verbindungsrohr 7 ein Ultraschall-Transducer 5 an
die Beschichtung 2 ankoppeln und so deren Schichtdicke
von außen
messen. Das Verbindungsrohr 7 ist mit einem Ultraschall-Koppelmedium, beispielsweise
Silikonöl,
gefüllt.
Ausgehend von einer Ultraschallwelle des Transducers 5 in Richtung
Beschichtung 2 ergeben sich dann Reflexionen an den sprungartigen
Schallwellenwiderstandsübergängen 9, 10, 11 und
gegebenenfalls an den Partikeln des flüssigen Mediums 4.
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Die
Reflexionen an der Beschichtung 2 im Bereich des Schallwellenwiderstandsübergangs 9, 10 werden
aus dem empfangenen Signal extrahiert. Unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit
in einem gummiartigen Medium und Messung der Laufzeitdifferenz an
den Übergängen der
Schichten im Bereich 9, 10 lässt sich die Dicke der Beschichtung 2 bestimmen.
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Insbesondere
lassen sich durch diese Vorrichtung auch periodische Laufzeitänderungen
leicht messen, die eine Aussage darüber geben, ob die Beschichtung
des Stators Kontaktschluss mit dem Rotor hat und dabei etwas gedrückt wird
oder nicht. Temperatureinflüsse
auf die Schallausbreitungsgeschwindigkeit, die das Messergebnis
verändern,
können
durch Vergleichsmessung der Laufzeit zur Grenzschicht 10 und
zur periodisch konstanten Grenzschicht 11 des Rotors stark
reduziert werden. Ein Temperatursensor kann auch in der Sensoreinheit
mit integriert sein.
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Die
Messanordnung kann auch so gestaltet sein, dass die Bohrung bzw.
der mit einem Koppelmedium, insbesondere Silikonöl, gefüllte Messkanal 6 sich
bis tief an die Grenzschicht 10 erstrecken kann, was nicht
gezeigt ist, um so gegebenenfalls eine günstigere Ultraschallankopplung
zu erreichen.
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Beim
Auswechseln eines Stators 3 kann die vorherige Messeinheit 5 wieder
verwendet werden und es treten dadurch keine zusätzlichen Kosten auf.
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Die
Erweiterung bzw. Nachrüstung
derzeitiger Statoren um diese Messtechnik ist somit möglich. Es
muss lediglich eine Gewindebohrung 12 in den Statorstahlmantel 3 eingebracht
werden. Bei der Herstellung eines neuen Stators wird während der
Ausvulkanisierung die Gewindebohrung 12 mit einem Befestigungselement,
beispielsweise einer Schraube, verschlossen.
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In 2 ist
eine Abrasionsmessung von Beschichtungen 14 auf einer Stahlwand 17 gezeigt,
die hier durch einen in der Beschichtung 14 einvulkanisierten
Multidrahtfilamentsensors 13 vorgenommen wird.
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Durch
Einbringen eines Multidrahtfilamentsensors 13 in eine vulkanisierte,
gummiartige Beschichtung 14 kann dessen Abrasionsgrad über eine Widerstands-
bzw. Kurzschlussmessung der einzelnen Drahtfilamente 15a bis 15e bestimmt
werden. Sind beispielsweise 10 dünne
Drahtfilamente im Abstand von 1 mm einvulkanisiert, so lässt sich
hiermit eine Abrasionstiefe von bis zu 10 mm mit einer Auflösung von
1 mm messen. Die Anzahl der Drahtfilamente 15a bis 15e und
deren Abstand bestimmen die Messauflösung und -tiefe. Die Messauswertung
kann pro Messfilament 15a bis 15e beispielsweise
durch jeweils einen Vorwiderstand und Spannungspegelmessung digital
erfolgen.
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Es
besteht auch die Möglichkeit,
die Messdrahtfilamente 15a bis 15e über eine
in einer Zusammenführungseinheit 16 integrierten
Widerstandsmatrix zusammenzuführen
und dann als Zweidrahtanschluss als Messdrahtanschlusskabel 18 herauszuführen. Vorteil
dieses Messverfahrens ist, dass bei einer geforderten hohen Auflösung und
damit verbundener minimaler Anzahl N + 1 von Anschlussdrähten die
Reduktion auf zwei robuste Anschlussdrähte möglich ist.
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Darüber hinaus
können
auch ein Temperatursensor oder andere Sensoren mit in der Zusammenführungseinheit 16 integriert
und nach außen
hin angeschlossen werden.
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3 zeigt
ein indirektes Abrasionsmessverfahren, das auf der Messung periodischer
Kontaktübertragungen
zwischen dem Rotor 1 und der elastischen Beschichtung 14 des
Stators einer Schneckenpumpe beruht. Die periodischen Einpressungen
des Rotors in die elastische Statorbeschichtung führen zur
Volumenverschiebungen 44 in der Beschichtung des Stators,
die gemessen werden sollen.
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Die
Abnutzung der Beschichtung 14, insbesondere durch Abrasion
wird so zu weniger Einpressung des Rotors in die Beschichtung 14 führen und damit
zu weniger Volumenverschiebung im Bereich Beschichtung 14 führen und
damit zu weniger Volumenverschiebung im Bereich 44. Die
Einpressung des Rotors 1 in die Beschichtung 14 bewirkt
eine Volumenverschiebung 44 im äußeren Bereich der Beschichtung,
die sich auf einen nahe angeordneten Messkanal 20 so auswirkt,
dass es auch darin eine Volumenverschiebung 45 geben wird.
Dieses pulsierende Verschiebevolumen 45 erzeugt in Abhängigkeit
von der Steifigkeit des angekoppelten Drucksensors 22 wiederum
einen pulsierenden Druck, der über
diesen Drucksensor 22 gemessen wird.
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Aus
Gründen
einer besseren Messbarkeit nahe dem Druckeinkoppelbereich 44 ist
der Messkanal 20 so ausgeführt, dass er über ein
flüssiges und/oder
ein gasförmiges
Medium die Volumenverschiebung bzw. die dadurch zustande kommende Druckerhöhung nach
außen
zum Drucksensor 22 weiterleitet.
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In
den 4.1 und 4.2 sind
Vorrichtungen zur optischen Reflektionsschichtdickenmessung einer
Beschichtung einer Rohrwand, insbesondere einer Statorstahlwandung,
insbesondere zur Bestimmung der Abrasion der Beschichtungen dargestellt. Allgemein
ist eine Innenbeschichtung in einem Rohr meist aus einem Material
gefertigt. Wird jedoch eine innere nicht durchsichtige Beschichtung 38 und
eine äußere durchsichtige
Beschichtung 39 vorgesehen, wie in den 4.1 bzw. 4.2 dargestellt.
So lässt sich
durch eine optische Reflektionsmessung eine Abrasion der inneren
Schicht bestimmen, da, wenn diese abgetragen ist, sich dann andere
Lichtreflektionswerte ergeben. Es besteht auch hier die Möglichkeit,
nachträglich
von außen
eine Bohrung mit präziser
Bohrtiefe vorzusehen und die Bohrung mit durchsichtigem, elastizitätsmäßig möglichst
gleichartigem Material 39 auszufüllen.
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In
den 4.1 und 4.2 ist
der schematische Aufbau mit der Anordnung eines optischen Sensors 40 mit
einem LED-Lichtsender 41 und einer Fotozelle 42 gezeigt,
welche zusammen in einem Schraubgewindedeckel untergebracht und
eingeschraubt dargestellt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
eine gut reflektierende, dünne
Schicht zwischen der inneren Beschichtung 38 und der äußeren Beschichtung 39 angeordnet
ist, da sich dann bei Zerstörung
der inneren Schicht eine große
Reflektionsänderung
detektieren ließe.
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In 5 ist
ein Ausschnitt einer Schneckenpumpe skizziert, der im Wesentlichen
aus einem Stator mit einer Statorstahlwandung 3, einer
Beschichtung 2, vorzugsweise aus Gummi, einer Förderflüssigkeit 30,
einem Rotor 1 und einem Messsensor 31 besteht.
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Der
Messsensor 31 ist dabei durch zwei Elektroden 32a, 32b gekennzeichnet,
die jeweils in einem Abstand durch die Beschichtung 2 mit
einer Flüssigkeit 30 kapazitiv
in Verbindung stehen. Somit kann über eine Kapazitätsmessung
zwischen einer ersten Elektrode 32a über die Flüssigkeit 30 mit einer zweiten
Elektrode 32b auf eine Materialdicke 33 zu den
Elektroden 32a, 32b im isolierenden Medium (Beschichtung 2)
geschlossen werden. Der kapazitive Sensor 31 kann beispielsweise
so ausgebildet sein, dass die zwei Elektroden 32a, 32b auf
einer Leiterplatte 34 zusammen mit einer Auswerteelektronik angeordnet
sind. Diese Leiterplatte 34 kann über ein Distanzstück 36 mit
der Außenwand
verbunden sein und einen Stromversorgungs- und Signalkabelanschluss 37 nach
außen
führen.
Die Kapazitätsmessung
kann auch zwischen der Elektrode 32a und dem inneren flüssigen Medium 30 erfolgen,
welches auch über
einen metallischen Rotor 1 mit dem Metallgehäuse des
Stators 1 in Verbindung steht.
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Der
Erfindungsgegenstand zur vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche
untereinander.
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Alle
in den Unterlagen, einschließlich
der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellten räumlichen Ausbildungen, werden
als erfindungswesentlich beansprucht, soweit diese einzeln oder
in Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Rotor
- 2
- Beschichtung
(Silikon)
- 3
- Statorstahlwandung
- 4
- Medium,
insbesondere Klärschlamm
- 5
- Ultraschall-Transducer
(US-Transducer)
- 6
- Koppelmedium
(Silikonöl
oder Luft)
- 7
- Verbindungsrohr
- 8
- Befestigungselement
- 9
- Übergang
Schallwellenwiderstand
- 10
- Übergang
Schallwellenwiderstand
- 11
- Übergang
Schallwellenwiderstand
- 12
- Gewindebohrung
- 13
- Multidrahtfilamentsensor
- 14
- Beschichtung
- 15a
- Drahtfilament
- 15b
- Drahtfilament
- 15c
- Drahtfilament
- 15d
- Drahtfilament
- 15e
- Drahtfilament
- 16
- Zusammenführungseinheit
- 17
- Statorwand
- 18
- Messdrahtanschlusskabel
- 19
- Medium
- 20
- Messkanal
- 21
- Adapterrohr
- 22
- Drucksensor
- 28
- Anschlussschraube
- 29
- Verbindungskanal
- 30
- Förderflüssigkeit
(Medium)
- 31
- Messsensor,
kapazitiv
- 32a
- Elektrode
- 32b
- Elektrode
- 33
- Materialdicke
- 34
- Leiterplatte
- 35
- Auswerteelektronik
- 36
- Distanzstück
- 37
- Anschluss
- 38
- Beschichtung,
undurchsichtig
- 39
- Beschichtung,
durchsichtig
- 40
- Sensor
- 41
- LED
- 42
- Lichtsensor
- 43
- Lichtreflektion
- 44
- Druckeinkoppelbereich
- 45
- Verschiebevolumen