-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differenzdruckmessvorrichtung, insbesondere für eine Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung einer Filtereinrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einer solchen Differenzdruckmessvorrichtung ausgestattete Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung für eine Filtereinrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Filtereinrichtung, insbesondere zum Filtern von Flüssigkeiten, die mit einer derartigen Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung bzw. Differenzdruckmessvorrichtung ausgestattet ist.
-
Eine Filtereinrichtung, mit deren Hilfe Verunreinigungen aus einem Fluid herausgefiltert werden, umfasst üblicherweise ein Filterelement, das in einem Filtergehäuse eine Rohseite von einer Reinseite trennt. Während des Filtrierbetriebs können sich am Filterelement rohseitig die herausgefilterten Verunreinigungen anlagern, was zu einer Verschmutzung des Filterelements führt. Mit zunehmender Verschmutzung nimmt auch der Durchströmungswiderstand des Filterelements und somit die Druckbelastung des Filterelements zu. Um die Gefahr einer Beschädigung des Filterelements sowie die Gefahr eines zu kleinen Fluidstroms in einem mit der Filtereinrichtung ausgestatteten System zu reduzieren, ist es zweckmäßig, den Verschmutzungsgrad des Filterelements zu überwachen. Übersteigt die Verschmutzung einen vorbestimmten Verschmutzungsgrad, muss das Filterelement gereinigt bzw. ausgewechselt werden.
-
Da der Verschmutzungsgrad des Filterelements mit dem Durchströmungswiderstand korreliert, kann zur Überwachung des Verschmutzungsgrads die Druckdifferenz zwischen Rohseite und Reinseite herangezogen werden. Hierzu ist es grundsätzlich möglich, rohseitig und reinseitig je einen Drucksensor anzuordnen, der die absoluten Drücke an der Rohseite und an der Reinseite misst. Mittels einer entsprechenden Auswerteeinrichtung kann dann der zwischen Rohseite und Reinseite herrschende Differenzdruck ermittelt werden. Bei einer derartigen Vorgehensweise ergeben sich für den Fall Probleme, dass die Filtereinrichtung bzw. das damit ausgestattete System auf einem relativ hohen Druckniveau arbeitet und die tolerierbare Druckdifferenz im Vergleich zu diesem Arbeitsdruckniveau vergleichsweise gering ist. Drucksensoren besitzen eine Messtoleranz, die üblicherweise bei ±1% liegen kann. Bei einem hohen Druckniveau, das beispielsweise bei 200 bar liegen kann, besitzen die gemessenen Drücke dann eine Ungenauigkeit von ±2 bar. Wenn zur Differenzdruckmessung sowohl an der Rohseite als auch an der Reinseite je ein solcher Absolutdrucksensor verwendet wird, können sich die Toleranzen addieren, so dass der gemessene Differenzdruck Abweichungen von ±4 bar aufweisen kann. Wenn ferner nur ein im Vergleich zum Druckniveau kleiner Differenzdruck, von beispielsweise 20 bar tolerierbar ist, müssen bei dieser Vorgehensweise Messfehler von ±20% in Kauf genommen werden. Um bei derartigen Messungenauigkeiten ein Versagen der Filtereinrichtung ausschließen zu können, muss der tolerierbare Differenzdruck entsprechend herabgesetzt werden, was letztlich zu verfrühten Wartungsintervallen und zu unnötigen Stillstandszeiten des Systems führt.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Filtereinrichtung bzw. für eine zugehörige Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung bzw. für eine Differenzdruckmessvorrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Messgenauigkeit auszeichnet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Drucksensor nur mit dem Differenzdruck zu beaufschlagen, so dass der Drucksensor direkt die vergleichsweise kleine Druckdifferenz unabhängig vom jeweiligen Druckniveau messen kann. Hierdurch ist es insbesondere möglich, einen auf den tolerierbaren Differenzdruck abgestimmten Drucksensor zu verwenden. Mit Bezug auf das weiter oben angeführte Zahlenbeispiel kann der Drucksensor für einen Druckbereich bis 20 bar ausgelegt sein, wobei seine Messgenauigkeit wieder bei 1% liegt, so dass Messfehler von ±0,2 bar auftreten können. Da nur ein Sensor erforderlich ist, ergibt sich hier auch keine Verdopplung der Messtoleranzen. Letztlich kann die Druckdifferenz mit vergleichsweise hoher Genauigkeit ermittelt werden. Im Vergleich zum eingangs beschriebenen Beispiel ist der Vorteil im Hinblick auf die verbesserte Messgenauigkeit offensichtlich. Je kleiner die tolerierbare Druckdifferenz zwischen Rohseite und Reinseite ist, desto stärker wirkt sich der Vorteil der hier vorgestellten Erfindung aus. Bei verschiedenen Hydrauliksystemen kann beispielsweise der Arbeitsdruck bei etwa 200 bar liegen, während der am Filterelement tolerierbare Differenzdruck bei etwa 5 bar liegt. Bei der Verwendung von zwei Absolutdrucksensoren, welche jeweils bis 200 bar messen können, liegt alleine schon die Messgenauigkeit in der gleichen Größenordnung wie die zu messende Differenzdruckgröße. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Differenzdrucksensors kann dieser auf die zu messenden 5 bar ausgelegt werden, so dass seine Messtoleranz bei ±0,05 bar liegt.
-
Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines einzelnen Drucksensors dadurch ermöglicht, dass die Differenzdruckmessvorrichtung mit einem Kolben ausgestattet ist, der in einem Zylinder hubverstellbar angeordnet ist und in diesem Zylinder einen ersten Druckraum von einem zweiten Druckraum trennt. Der Kolben betätigt über eine Kolbenstange den Drucksensor. Dabei sind Kolben und Zylinder so aufeinander abgestimmt, dass der Kolben über die Druckstange nur die zwischen den beiden Druckräumen herrschende Druckdifferenz auf den Drucksensor übertragen kann. Durch diese Bauweise heben sich die großen Absolutdrücke bis auf die zu messende Druckdifferenz gegenseitig auf, so dass als resultierende Kraft am Kolben nur noch die zu messende Druckdifferenz angreift und eine entsprechende Verstellkraft auf den Kolben ausübt, die der Kolben über die Kolbenstange auf den Drucksensor überträgt.
-
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Kolben eine dem ersten Druckraum ausgesetzte erste Kolbenfläche sowie eine dem zweiten Druckraum ausgesetzte zweite Kolbenfläche. Die erste Kolbenfläche und die zweite Kolbenfläche sind im Rahmen von Herstellungstoleranzen gleich groß. Hierdurch wird erreicht, dass sich allein durch die gewählte Geometrie die hohen Drücke in den beiden gegenüberliegenden Druckräumen am Kolben weitgehend ausgleichen, so dass am Kolben letztlich nur die Druckdifferenz als resultierende Kraft angreift.
-
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Kolben zusätzlich zu der mit dem Drucksensor zusammenwirkenden ersten Kolbenstange eine zweite Kolbenstange aufweisen, die durch den zweiten Druckraum hindurch aus dem Zylinder herausgeführt ist. Diese Maßnahme vereinfacht es, die beiden hydraulisch aktiven, entgegengesetzt wirkenden Kolbenflächen gleich groß auszubilden. Die beiden Kolbenflächen sind dann durch Ringflächen gebildet, welche sich koaxial zur jeweiligen Kolbenstange erstrecken. Zweckmäßig besitzen die beiden Kolbenstangen gleiche Querschnitte, was es ebenfalls vereinfacht, die beiden hydraulisch aktiven Kolbenflächen gleich groß zu dimensionieren.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die zweite Kolbenstange außerhalb des Zylinders in eine Kammer eintauchen, die fluidisch mit einem Oberflächenabschnitt des Drucksensors verbunden ist, mit dem die erste Kolbenstange zusammenwirkt. Hierdurch wird ein Druckausgleich und somit ein Kräfteausgleich zwischen den Stirnflächen der beiden Kolbenstangen weitgehend erreicht, so dass letztlich nur die am Kolben wirkende Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen den Kolben gegen den Drucksensor antreibt.
-
Zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher die mit der zweiten Kolbenstange zusammenwirkende Kammer durch die beiden Kolbenstangen hindurch sowie durch den Kolben hindurch mit dem Oberflächenabschnitt des Drucksensors fluidisch verbunden ist. Durch diese Maßnahme lässt sich die fluidische Kopplung zwischen dem Drucksensor und der Kammer besonders einfach realisieren.
-
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die erste Kolbenstange in einem Ausgangszustand, in dem in den beiden Druckräumen der gleiche Druck herrscht, am Drucksensor kraftlos oder drucklos anliegen. Demnach ist eine lose Kontaktierung zwischen Kolbenstange und Drucksensor bevorzugt. Grundsätzlich kann die Kolbenstange auch fest mit dem Drucksensor verbunden sein.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden. Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in. Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Die einzige 1 zeigt eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Filtereinrichtung mit einer Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung, die mit einer im Halbschnitt dargestellten Differenzdruckmessvorrichtung arbeitet.
-
Entsprechend 1 umfasst eine Filtereinrichtung 1 ein Filtergehäuse 2, in dem ein Filterelement 3 eine Rohseite 4 von einer Reinseite 5 trennt. Grundsätzlich kann die Filtereinrichtung 1 zum Herausfiltern von flüssigen oder festen Verunreinigungen aus einem gasförmigen oder flüssigen Fluid verwendet werden. Die Filtereinrichtung 1 dient bevorzugt zum Filtern von Flüssigkeiten und kann in Hydrauliksystemen zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann die Filtereinrichtung 1 bei einem Kühl-Schmierstoff-System zum Reinigen des Kühl-Schmierstoffs verwendet werden.
-
Die Filtereinrichtung 1 ist mit einer Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung 6 ausgestattet, die eine Differenzdruckmessvorrichtung 7 aufweist. Die Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung 6 dient zur Überwachung des Verschmutzungsgrads des Filterelements 3 der Filtereinrichtung 1. Da der Verschmutzungsgrad des Filterelements 3 mit einem Durchströmungswiderstand des Filterelements 3 korreliert und da dieser Durchströmungswiderstand mit einem sich im Betrieb der Filtereinrichtung 1 zwischen Rohseite 4 und Reinseite 5 einstellenden Druckdifferenz korreliert, arbeitet die Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung 6 mit der Differenzdruckmessvorrichtung 7. Diese weist genau einen Drucksensor 8 auf. Sie kommt grundsätzlich mit nur einem Drucksensor 8 aus. Zur Redundanz können jedoch auch zwei oder mehr Drucksensoren 8 vorgesehen sein. Die Verschmutzungsgrad-Überwachungseinrichtung 6 ist außerdem mit einer Auswerteeinrichtung 9 ausgestattet, die auf geeignete Weise, zum Beispiel über eine Signalleitung 10, mit dem Drucksensor 8 gekoppelt ist. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 9 mit einer Anzeigeeinrichtung 11 gekoppelt, die den mit Hilfe des Drucksensors 8 gemessenen Differenzdruck bzw. den damit korrelierten Verschmutzungsgrad signalisiert. Die Auswerteeinrichtung 9 kann abhängig vom Differenzdruck, den sie vom Drucksensor 8 erhält, einen Verschmutzungsgrad für das Filterelement 3 ermitteln. Übersteigt der ermittelte Verschmutzungsgrad einen vorbestimmten Grenzwert, kann über die Anzeigeeinrichtung 11 ein entsprechendes Warnsignal abgegeben werden.
-
Die Differenzdruckmessvorrichtung 7 besitzt einen Zylinder 12 sowie einen Kolben 13, der im Zylinder 12 hubverstellbar angeordnet ist. Ferner trennt der Kolben 13 im Zylinder 12 einen ersten Druckraum 14 von einem zweiten Druckraum 15. Mit dem Kolben 13 ist eine erste Kolbenstange 16 fest verbunden, die durch den ersten Druckraum 14 hindurch und aus dem Zylinder 12 herausgeführt ist. Die erste Kolbenstange 16 wirkt außerhalb des Zylinders 12 mit dem Drucksensor 8 zusammen, so dass der Drucksensor 8 die Druckkraft, mit welcher die erste Kolbenstange 16 gegen den Drucksensor 8 drückt, messen kann.
-
Der Kolben 13 weist eine erste Kolbenfläche 17 und eine zweite Kolbenfläche 18 auf, die gleich groß gewählt sind. Die erste Kolbenfläche 17 ist dem ersten Druckraum 14 zugewandt bzw. ausgesetzt, während die zweite Kolbenfläche 18 dem zweiten Druckraum 15 zugewandt bzw. ausgesetzt ist. Dementsprechend wirken an den beiden Kolbenflächen 17, 18 entgegengesetzt orientierte Druckkräfte auf den Kolben 13 ein, wodurch am Kolben 13 nur eine die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen 14, 15 repräsentierende resultierende Kraft angreift, die den Kolben 13 und somit die erste Kolbenstange 16 gegen den Drucksensor 8 antreibt.
-
Damit die beiden Kolbenflächen 17, 18 besonders einfach gleich groß ausgestaltet werden können, ist der Kolben 13 zweckmäßig mit einer zweiten Kolbenstange 19 fest verbunden, die durch den zweiten Druckraum 15 hindurch aus dem Zylinder 12 herausgeführt ist. Die beiden Kolbenstangen 16, 19 sind somit an zwei sich gegenüberliegenden Enden des Kolbens 13 ausgebildet. Zweckmäßig besitzen beide Kolbenstangen 16, 19 gleiche Querschnitte 20. Die beiden Kolbenstangen 16, 19 sind koaxial zum Kolben 13 angeordnet, so dass die beiden Kolbenflächen 17, 18 die jeweilige Kolbenstange 16, 19 ringförmig umschließen und durch Ringflächen gebildet sind. Die Größe der Kolbenflächen 17, 18 ergibt sich durch den Querschnitt 21 des Zylinders 12 abzüglich des Querschnitts 20 der jeweiligen Kolbenstange 16, 19. Die jeweilige Kolbenstange 16, 19 ist vorzugsweise am Kolben 13 integral ausgeformt.
-
Bei der hier gezeigten Ausführungsform taucht die zweite Kolbenstange 19 außerhalb des Zylinders 12 in eine Kammer 22 ein. Diese Kammer 22 ist mit einem Oberflächenabschnitt 23 des Drucksensors 8 fluidisch verbunden. Bei dem Oberflächenabschnitt 23 handelt es sich um den zur Druckmessung mit der ersten Kolbenstange 16 zusammenwirkenden Oberflächenabschnitt 23. Durch die fluidische Kopplung der Kammer 22 mit dem Oberflächenabschnitt 23 herrscht im Bereich der axialen Enden der beiden Kolbenstangen 16, 19 der gleiche Druck, so dass nur die an den Kolbenflächen 17, 18 angreifende Druckdifferenz den Kolben 13 antreibt. Zur fluidischen Kopplung der Kammer 22 mit dem Oberflächenabschnitt 23 des Drucksensors 8 sind die beiden Kolbenstangen 16, 19 als Hohlstangen und der Kolben 13 als Hohlkolben ausgestaltet. Dementsprechend kann die Kammer 22 durch die beiden Kolbenstangen 16, 19 und durch den Kolben 13 hindurch mit dem Oberflächenabschnitt 23 des Drucksensors 8 fluidisch kommunizieren.
-
Zwischen der Kammer 22 und dem zweiten Druckraum 15 kann eine mit der zweiten Kolbenstange 19 zusammenwirkende Dichtung 24 vorgesehen sein. Insbesondere kann diese Dichtung 24 als Flächendichtung konzipiert sein, die mit einem Drosseldichtspalt arbeitet. Eine derartige Flächendichtung kann beispielsweise durch zwei miteinander zusammenwirkende Passflächen erzeugt werden. Zusätzlich kann zweckmäßig auch zwischen dem Drucksensor 8 und dem ersten Druckraum 14 zumindest eine Dichtung 25 vorgesehen sein, die mit der ersten Kolbenstange 16 zusammenwirkt. Auch hier kann diese Dichtung 25 zweckmäßig als Flächendichtung ausgestaltet sein, die mittels Passflächen realisiert ist und mit einem Drosseldichtspalt arbeitet. Durch die beiden Dichtungen 24, 25 kann das gegebenenfalls hohe Druckniveau der beiden Druckräume 14, 15 nicht oder nur stark gedrosselt in die Kammer 22 und zum Oberflächenabschnitt 23 gelangen. Folglich kann eine durch die ringförmige Anlage 26 zwischen erster Kolbenstange 16 und Drucksensor 8 entstehende Druckdifferenz nur einen kleinen Wert annehmen, der für die Messung der Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen 14, 15 im Wesentlichen unbeachtlich ist.
-
Die erste Kolbenstange 16 kann in einem Ausgangszustand, der dann vorliegt, wenn in den beiden Druckräumen 14, 15, zum Beispiel bei ausgeschalteter Filtereinrichtung 1, der gleiche Druck herrscht, am Drucksensor 8 zur Anlage kommen. Diese Anlage kann dabei lose, und zwar kraftlos bzw. drucklos erfolgen.
-
Zur Realisierung der Differenzdruckmessvorrichtung 7 kann diese außerdem mit einem Gehäuse 27 ausgestattet sein, wobei das Gehäuse 27 den Zylinder 12, einen mit dem ersten Druckraum 14 fluidisch verbundenen ersten Druckanschluss 28 und einen mit dem zweiten Druckraum 15 fluidisch verbundenen zweiten Druckanschluss 29 aufweist. Ferner enthält das Gehäuse 27 einen Aufnahmeraum 30 zur Aufnahme des Drucksensors 8. Dieser Aufnahmeraum 30 kann mit einem Schraubverschluss 31 verschlossen werden, wodurch gleichzeitig eine Lagefixierung und Vorspannung des Drucksensors 8 im Gehäuse 27 realisiert werden kann. Durch den Verschluss 31 hindurch kann die elektrische Kontaktierung zwischen Drucksensor 8 und Auswerteeinrichtung 9 erfolgen. Auch die Kammer 22 ist im Gehäuse 27 ausgebildet, und zwar in einem Deckel 32, der in den Zylinder 12 eingesetzt ist. Auch ist der zweite Druckanschluss 29 bei dem hier gezeigten Beispiel im Deckel 32 ausgebildet.
-
Der erste Druckanschluss 28 ist an die Reinseite 5 des Filtergehäuses 2 angeschlossen, so dass der erste Druckraum 14 den Betrieb der Filtereinrichtung 1 den reinseitigen Druck erhält. Der zweite Druckanschluss 29 ist an die Rohseite 4 des Filtergehäuses 2 angeschlossen, so dass der zweite Druckraum 15 im Betrieb der Filtereinrichtung 1 den rohseitigen Druck erhält.
-
Die hier vorgestellte Differenzdruckmessvorrichtung 7 arbeitet wie folgt:
Im Betrieb der Filtereinrichtung 1 wird eine rohseitige, schmutzbeladene Zulaufströmung 33 der Rohseite 4 zugeführt. Beim Durchströmen des Filterelements 3 kommt es zu einem Druckabfall, so dass eine reinseitige, vom Schmutz weitgehend befreite Ablaufströmung 34 von der Reinseite 5 abströmt. Das Druckniveau, auf dem sich die Zuströmung 33 bzw. die Abströmung 34 befinden, ist vergleichsweise hoch und kann beispielsweise bei etwa 200 bar liegen. Der höhere rohseitige Druck herrscht auch im zweiten Druckraum 15, während der niedrigere reinseitige Druck auch im ersten Druckraum 14 herrscht. Da die beiden Kolbenflächen 17, 18 gleich groß sind, entsteht am Kolben 13 letztlich eine resultierende Kraft, die nur der Druckdifferenz zwischen Rohseite 4 und Reinseite 5 entspricht. Diese resultierende Kraft treibt den. Kolben 13 in Richtung Drucksensor 8 an. Der Kolben 13 stützt sich über die erste Kolbenstange 16 am Drucksensor 8 ab, so dass die resultierende Druckkraft des Kolbens 13 über die erste Kolbenstange 16 in den Drucksensor 8 eingeleitet wird. Beispielsweise soll die Druckdifferenz zwischen Rohseite 4 und Reinseite 5 maximal 20 bar oder maximal 5 bar aufweisen, um eine Unterversorgung des jeweiligen Systems oder um eine Beschädigung des Filterelements 3 zu vermeiden. Dementsprechend muss der Drucksensor 8 zur Messung von absoluten Drücken bis 20 bar bzw. bis 5 bar ausgelegt sein. Bei einer üblichen Messgenauigkeit von Drucksensoren 8, die bei etwa 1% des Druckbereichs liegt, für den der Drucksensor 8 ausgelegt ist, führt dies bei einer Auslegung für 20 bar zu Messfehlern im Bereich von ±0,2 bar und bei einer Auslegung für 5 bar zu Messfehlern im Bereich von ±0,05 bar.
-
Die hier vorgestellte Differenzdruckmessvorrichtung 7 arbeitet somit sehr genau, obwohl die Druckdifferenz zwischen zwei Drücken gemessen werden muss, die sich selbst auf einem vergleichsweise hohen Druckniveau befinden.
-
Die Auswerteeinrichtung 9 ermittelt aus den Messsignalen des Drucksensors 8 die gemessene Druckdifferenz bzw. einen damit korrelierten Verschmutzungsgrad für das Filterelement 3. Sobald ein unzulässig hoher Differenzdruck bzw. ein unzulässig hoher Verschmutzungsgrad ermittelt wird, kann über die Signaleinrichtung 11 ein entsprechender Warnhinweis abgegeben werden. Ebenso ist grundsätzlich auch eine Notabschaltung des Systems denkbar. Bevorzugt sind dann jedoch kaskadierende Maßnahmen, die bei aufeinanderfolgenden Grenzwerten für die Druckdifferenz bzw. für den Verschmutzungsgrad unterschiedliche Maßnahmen auslösen.
