DE102010034800A1

DE102010034800A1 - Ventilüberwachung an Pumpen mit mindestens zwei Zylindern

Info

Publication number: DE102010034800A1
Application number: DE102010034800A
Authority: DE
Inventors: Lloyd Houston Massey; Oliver Dr. Webber; James Ingerslew
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Ventilen in Pumpen mit mindestens zwei Zylindern, wobei Ventile der mindestens zwei Zylinder unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeitpunkte zueinander aufweisen, umfassend die Schritte:
A1) Messung eines ersten Schallsignals eines zu überwachenden Ventils während eines ersten Messintervalls im geschlossenen Zustand dieses Ventils,
A2) Bestimmung für das erste Messintervall ein erstes Auswerteintervall als dasjenige Zeitintervall innerhalb des ersten Messintervalls, in dem ein Kennwort des Schallsignals einen Minimalwert annimmt.
B) Feststellung, ob das zu überwachende Ventil einen Defekt aufweist, basierend auf dem Kennwert innerhalb des ersten Auswerteintervalls und mindestens einem Referenzkennwert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Ventilen in Pumpen mit mindestens zwei Zylindern, wobei Ventile der mindestens zwei Zylinder unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeitpunkte zueinander aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung in Verdrängerpumpen, wie sie beispielsweise in Öl- oder Gasförderanlagen als sogenannte Spülpumpen eingesetzt werden.
Stand der Technik
Derartige Spülpumpen werden verwendet, um Bohrflüssigkeiten durch ein Bohrloch zu pumpen, damit dieses gespült werden kann. Spülpumpen sind in der Regel Hochdruckverdrängerpumpen mit Rückschlagventilen (Einwegventilen) zum Steuern des Flüssigkeitsstromes durch die Pumpe. Dabei befinden sich an je einem Pumpenzylinder mindestens zwei Rückschlagventile, die sich periodisch mit der Bewegung eines Kolbens in dem Zylinder öffnen und schließen. Ein Rückschlagventil verbindet den Zylinder mit einer Zuleitung während ein anderes Rückschlagventil den Zylinder mit einer Ableitung verbindet. Sobald das mit der Zuleitung verbundene Rückschlagventil schließt, d. h. zu dessen Schließzeitpunkt, öffnet sich das mit der Ableitung verbundene Rückschlagventil, d. h. zu dessen Öffnungszeitpunkt. Möglich ist dabei, dass das mit der Zuleitung verbundene Rückschlagventil länger oder kürzer geöffnet bleibt, also eine längere oder kürzere Öffnungszeit aufweist, als das mit der Ableitung verbundene Rückschlagventil. Gewöhnlicherweise weisen Spülpumpen mehrere Zylinder auf, deren Öffnungs- und Schließzeitpunkte zueinander versetzt sind. Dieser Zeitversatz verringert Druckpulsationen in der Ableitung, da die Zeitspannen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckmaxima verringert, z. B. halbiert, werden können und somit ein gleichmäßigerer Druck in der Ableitung vorliegt.
Im Betrieb treten oftmals Defekte an einzelnen Rückschlagventilen auf. Defekte können z. B. durch das Pumpen von abrasiven Medien hervorgerufen werden, was zu Undichtigkeiten führen kann. Ein defektes, also undichtes, Ventil führt zu einer internen Leckage der Pumpe an diesem Ventil, d. h. im geschlossenen Zustand dieses Ventils entsteht bei Druckbeaufschlagung ein Leckagestrom. Ein solcher Leckagestrom verringert einerseits die Förderrate und/oder den Förderdruck der Pumpe und kann andererseits auch zu Beschädigungen der weiteren Pumpenkomponenten oder von mit der Pumpe verbundenen Anlagen führen. Im schlimmsten Fall kann ein Verlust eines Bohrloches durch zu spät festgestellten Pumpenausfall drohen.
Es ist daher notwendig, möglichst frühzeitig zu erkennen, ob eine Pumpe oder die Zylinder der Pumpe defekte Ventile aufweisen, falls dies der Fall ist, die defekten Ventile zu lokalisieren und auszutauschen.
Als prinzipiell geeignet haben sich hierfür Verfahren erwiesen, die auf Messungen eines Schallsignals der einzelnen Ventile der Pumpe während des Betriebs beruhen. Dabei macht man sich die durch Leckageströmungen entstehenden Turbulenzen und Kavitationen und die damit einhergehende Erhöhung des Strömungsgeräusches zu Nutze. Hierfür wird die Pumpe mit mehreren Sensoren zur Messung des Schallsignals ausgestattet und das Schallsignal während des Betriebs fortlaufend erfasst. Ein erhöhtes Schallsignal signalisiert einen Defekt an dem den Sensor zugeordneten Ventil.
Ein Verfahren zu Feststellung von Defekten an Ventilen mittels Messung des Schallsignals ist aus der EP 1 625 321 A1 bekannt, wobei das Schallsignal eines ersten Ventils im geschlossenen Zustand gemessen wird und mit einem gemessenen Schallsignal eines Ventils im geöffneten Zustand verglichen wird. Gemäß der EP 1 625 321 A1 sollen Abweichungen bei diesem Vergleich ausreichen, um einen Defekt des ersten Ventils festzustellen.
Aus der EP 1 477 678 A1 ist ein Verfahren zur Störungsfrüherkennung von Pumpenventilen bekannt, wonach ein Betriebsgeräusch der Pumpe zu einem Prüfzeitpunkt mit einem Betriebsgeräusch der Pumpe mit intakten Ventilen verglichen wird und bei einer vorbestimmten Pegelabweichung eine Störungsfrüherkennungsanzeige ausgelöst wird.
Nachteilig bei den geschilderten Verfahren aus dem Stand der Technik ist, dass diese Probleme damit haben, einzelne defekte Ventile in einer Pumpe zu erkennen, geschweige denn diese zu identifizieren, sobald die Pumpe mehrere Zylinder mit Ventilen aufweist, insbesondere dann, wenn mehrere Ventile in der Pumpe defekt sind.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Eingangs dargestelltes Verfahren bereitzustellen, welches defekte Ventile innerhalb einer Pumpe lokalisieren kann, auch wenn die Pumpe über zwei oder mehr Zylinder verfügt und gegebenenfalls mehr als ein Ventil defekt ist. Aufgabe der Erfindung ist es ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Demnach ist das erfindungsgemäße Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

A1) Messung eines ersten Schallsignals eines zu überwachenden Ventils während eines ersten Messintervalls im geschlossenen Zustand dieses Ventils,
A2) Bestimmung für das erste Messintervall ein erstes Auswerteintervall als dasjenige Zeitintervall innerhalb des ersten Messintervalls, in dem ein Kennwert des Schallsignals einen Minimalwert annimmt,
B) Feststellung, ob das zu überwachende Ventil einen Defekt aufweist basierend auf dem Kennwert innerhalb des ersten Auswerteintervalls und mindestens einem Referenzkennwert.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bei einer Pumpe mit mehr als zwei Zylindern ein nicht unerhebliches sogenanntes Übersprechen zwischen den einzelnen Zylindern auftreten kann. Ein Übersprechen bedeutet, dass das in einem ersten Zylinder entstehende Schallsignal durch mechanische Kopplung auf einen anderen, zweiten Zylinder übertragen wird. Die Messung des Schallsignals am zweiten Zylinder, um Ventile des zweiten Zylinders zu überwachen, wird somit durch das Übersprechen erschwert. Dabei zeigte sich, dass insbesondere wenn im ersten Zylinder ein defektes Ventil vorhanden ist, die Messung am zweiten Zylinder zu falschen Ergebnissen hinsichtlich des Zustands seiner Ventile führen kann. So kann aufgrund des Übersprechens ein intaktes Ventil im zweiten Zylinder als defekt eingestuft werden, lediglich aufgrund des fälschlicherweise erhöhten Schallsignals, verursacht durch das defekte Ventil im ersten Zylinder. Es entstehen somit Verfälschungen der Schallsignalmessungen.
Es zeigte sich weiter, dass aufgrund der periodischen Abläufe innerhalb der Zylinder auch die durch das Übersprechen hervorgerufenen Verfälschungen der Schallsignalmessungen periodisch auftreten. Insbesondere beeinflussen diese Verfälschungen aufgrund der – wenn auch mitunter nur geringfügig – unterschiedlichen Öffnungs- und Schließzeitpunkte der beiden Zylinder, nicht die kompletten Schließzeiten bzw. Öffnungszeiten der übrigen Zylinder.
Dies erkennend, schlägt die Erfindung vor, nicht einen Kennwert des Schallsignals der kompletten Schließzeit des zu überwachenden Ventils zur Feststellung, ob ein Defekt an dem Ventil vorliegt, heranzuziehen. Vielmehr soll nur ein Teilintervall der Schließzeit herausgegriffen werden, nämlich ein Teilintervall mit einem Minimalwert eines Kennwerts des Schallsignals. Dadurch wird ermöglicht, solche Teilintervalle des Messintervalls, die aufgrund des Übersprechens einen erhöhten Wert des Kennwerts des Schallsignals zeigen, von der Auswertung auszuschließen. Damit wird sichergestellt, dass die Verfälschungen durch das Übersprechen komplett ausgeschlossen bzw. auf ein Minimum verringert werden.
Die Messung des Schallsignals des zu überwachenden Ventils erfolgt erfindungsgemäß in einem zusammenhängenden Messintervall. Das für die Feststellung eines Ventildefekts herangezogene Schallsignal entspricht dem Schallsignal innerhalb eines Auswerteintervalls. Das Auswerteintervall ist ein zusammenhängendes Teilintervall innerhalb des Messintervalls.
Die Feststellung, ob ein Ventildefekt vorliegt, kann sobald ein Kennwert und ein Referenzkennwert vorliegen auf beliebige Weise, z. B. Bildung einer Differenz dieser Werte erfolgen. Sobald ein bestimmtes Verhältnis dieser beiden Werte vorliegt, können weitere Verfahrensschritte, z. B. Auslösen eines Alarms, erfolgen. Selbstverständlich kann zur Feststellung eines Ventildefekts neben dem Kennwert und dem mindestens einen Referenzkennwert auch noch die Auswertung weiterer Einflussgrößen erfolgen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Der mindestens eine Referenzkennwert kann auf unterschiedliche Art und Weise bestimmt werden. Entscheidend ist lediglich, dass dieser einen Kennwert für einen intakten Zustand des zu überwachenden Ventils darstellt. Im Folgenden werden drei Möglichkeiten genannt einen solchen Referenzkennwert zu bestimmen, wobei selbstverständlich andere Möglichkeiten nicht ausgeschlossen sind und die genannten Möglichkeiten parallel eingesetzt werden können, um mehrere Referenzkennwerte zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Referenzkennwert durch einen gespeicherten Wert gebildet. Dieser gespeicherte Wert kann beispielsweise ein Schallsignal für das entsprechende Ventil im geschlossenen Zustand sein, das zuvor bei intaktem Ventil aufgenommen wurde. Dadurch lässt sich ein direkter Vergleich zwischen einem Ist-Zustand und einem Soll-Zustand führen. Denkbar ist auch, dass für mehrere Ventile eine gemeinsamer Referenzkennwert gespeichert wurde, der einmal für derartige Ventile gemessen oder anders bestimmt wurde. Es ist nicht erforderlich bereits vor dem Betrieb der Pumpe einen Wert als Referenzkennwert permanent zu hinterlegen. So kann beispielsweise der gespeicherte Wert auch während des Betriebs neu oder zu Beginn erstmals hinterlegt werden, um beispielsweise schleichende Veränderungen im Pumpenbetrieb oder charakteristische Betriebsgeräusche zu berücksichtigen. Schleichende Veränderungen können beispielsweise durch langsam eintretende Veränderungen des zu fördernden Mediums hervorgerufen werden, wodurch sich das gemessene Schallsignal verändert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bildung eines Referenzkennwerts folgende zwei Schritte:

A3) Messung eines zweiten Schallsignals des zu überwachenden Ventils während eines zweiten Messintervalls während dessen das zu überwachende Ventil geöffnet ist,
A4) Bestimmung für das zweite Messintervall ein zweites Auswerteintervall als dasjenige Zeitintervall innerhalb des zweiten Messintervalls, in dem ein Kennwert des zweiten Schallsignals einen Minimalwert annimmt, wobei der Referenzkennwert dem Kennwert innerhalb des zweiten Auswerteintervalls entspricht.

Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Referenzkennwert durch einen Kennwert eines Schallsignals am selben Ventil bestimmt, jedoch während eines Zeitintervalls zu dem dieses Ventil geöffnet ist. Im Gegensatz zu einem permanent gespeicherten Referenzkennwert hat dies grundsätzlich den Vorteil, dass sich Veränderungen des Betriebsgeräusches der gesamten Pumpe, die für alle Ventile gleichermaßen wirken, sowohl auf den Kennwert des zu überwachenden Ventils als auch auf den Referenzkennwert auswirken und somit zu keinen Verfälschungen der Auswertung führen. Dieser Ausführungsform liegt die Idee zugrunde, dass ein erhöhtes Schallsignal aufgrund eines Leckagestromes nur bei einem geschlossenen Ventil messbar ist, während bei einem geöffneten, defekten Ventil kein erhöhtes Schallsignal zu messen ist. Gemäß dieser Ausführungsform genügt eine Messung an ein und demselben Ventil zu unterschiedlichen Zeiten. Wie bereits bei der Messung des ersten Schallsignals des zu überwachenden Ventils im geschlossenen Zustand erfolgt auch die Messung im geöffneten Zustand erfindungsgemäß während eines Messintervalls, wobei für die Feststellung eines Ventildefektes nur ein Schallsignal innerhalb eines Teilintervalls dieses Messintervalls, nämlich während des Auswerteintervalls, herangezogen wird. Somit können auch bei der Bestimmung des Referenzkennwerts Verfälschungen durch ein Übersprechen ausgeschlossen oder zumindest verringert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Bildung eines Referenzkennwerts folgende zwei Schritte:

A5) Messung mindestens eines zweiten Schallsignals eines anderen Ventils während eines zweiten Messintervalls,
A6) Bestimmung für das zweite Messintervall ein zweites Auswerteintervall als dasjenige Zeitintervall innerhalb des zweiten Messintervalls, in dem ein Kennwert des zweiten Schallsignals einen Minimalwert annimmt, wobei der Referenzkennwert dem Kennwert innerhalb des zweiten Auswerteintervalls entspricht.

Demnach wird der Referenzkennwert durch Messung eines Schallsignals eines oder mehrerer anderer Ventile bestimmt. Erfindungsgemäß kann die Messung oder können die Messungen des Schallsignals des oder der anderen Ventile nun insbesondere in geöffneten Zuständen dieser Ventile, geschlossenen Zuständen dieser Ventile oder Kombination daraus erfolgen. Falls der Referenzkennwert durch Messungen des Schallsignals eines oder mehrerer anderer Ventile im geöffneten Zustand dieser Ventile gebildet wird, wird wiederum ausgenützt, dass ein Ventil im geöffneten Zustand keinen erhöhten Geräuschpegel aufweist. Falls der Referenzkennwert durch Messungen des Schallsignals eines oder mehrerer anderer Ventile im geschlossenen Zustand dieser Ventile gebildet wird, ist ein direkter Vergleich der Schallsignale geschlossener Ventile möglich. Dies kann vorteilhaft sein, falls beispielsweise aufgrund des zu fördernden Mediums stark variierende Schallsignale an geöffneten Ventilen auftreten. Zu berücksichtigen bei Messungen an einem oder mehreren anderen Ventilen im geschlossenen Zustand ist jedoch, dass diese unter Umständen selbst einen Defekt aufweisen können. Empfehlenswert ist daher, das Schallsignal so vieler anderer Ventile im geschlossenen Zustand zu messen wie möglich (idealerweise aller), um den Einfluss einzelner, defekter Ventile zu verringern. Die Messung des Schallsignals für den Referenzkennwert erfolgt wiederum innerhalb eines Messintervalls, wobei wie zuvor beschrieben das Schallsignal innerhalb eines Auswerteintervalls verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Messung des ersten Schallsignals und des zweiten Schallsignals zeitnah, insbesondere innerhalb eines Pumpenzyklus. Eine zeitnahe Messung aller notwendigen Schallsignale stellt sicher, dass möglicherweise eintretende Veränderungen des Betriebsgeräusches während einer Messung so gering wie möglich ins Gewicht fallen. Dennoch wäre auch eine Messung der Schallsignale über mehrere Pumpenzyklen denkbar, insbesondere, wenn die zeitliche Entwicklung der Schallsignale berücksichtigt werden soll oder z. B. durch Mittlung der Einfluss zufälliger Schwankungen reduziert werden soll.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht das erste Messintervall im Wesentlichen einer Schließzeit des zu überwachenden Ventils und/oder das mindestens eine zweite Messintervall im Wesentlichen einer Öffnungszeit des zu überwachenden Ventils. Ein Messintervall beschreibt grundsätzlich einen zusammenhängendes Zeitintervall. Um die Messung insgesamt repräsentativer zu gestalten, kann gemäß dieser Ausführungsform die Messdauer maximiert werden. Die Schließzeit eines Ventils ist die Zeitspanne zwischen dem Schließzeitpunkt und dem Öffnungszeitpunkt, während die restliche Zeitspanne eines Pumpenzyklus der Öffnungszeit dieses Ventils entspricht, also der Zeitspanne zwischen dem Öffnungszeitpunkt und dem Schließzeitpunkt.
Gemäß einer Ausführungsform wird das erste Messintervall und/oder das mindestens eine zweite Messintervall in mehrere gleichlange Teilintervalle unterteilt und ein Teilintervall mit einem Minimalwert des Kennwerts innerhalb des Teilintervalls als das Auswerteintervall bestimmt. Prinzipiell wären natürlich auch unterschiedliche Längen der Teilintervalle denkbar; gleichlange Teilintervalle vereinfachen jedoch die Auswertung. Grundsätzlich gilt, dass umso länger ein Teilintervall ist, desto repräsentativer wird das gemessene Schallsignal in diesem Teilintervall sein, da kurzzeitige Störeinflüsse weniger ins Gewicht fallen. Auf der anderen Seite steigt mit wachsender Länge eines Teilintervalls auch die Wahrscheinlichkeit, dass das in dem Teilintervall gemessene Schallsignal durch ein Übersprechen verfälscht wurde. Es zeigte sich, dass eine optimale Länge der Teilintervalle gemäß einer Ausführungsform erreicht wird, in der die Dauer der Teilintervalle einem minimalen Abstand zwischen Schließ- und/oder Öffnungszeitpunkten der Ventile der Zylinder entspricht. Hierdurch wird eine maximale Länge der Teilintervalle erreicht und das Übersprechen dennoch so weit wie möglich verhindert. Der minimale Abstand zwischen Schließ- und/oder Öffnungszeitpunkten der Zylinder kann dabei der Abstand zwischen dem Schließzeitpunkt eines Zylinders und dem Schließzeitpunkt eines anderen Zylinders, der Abstand zwischen dem Öffnungszeitpunkt eines Zylinders und dem Öffnungszeitpunkt eines anderen Zylinders oder der Abstand zwischen dem Schließzeitpunkt eines Zylinders und dem Öffnungszeitpunkt eines anderen Zylinders sein. In aller Regel weisen die Zylinder zueinander gleichlange Öffnungszeiten und gleichlange Schließzeiten auf, so dass die gemäß dieser Ausführungsform bestimmten Teilintervalle während des Betriebs der Pumpe stets gleich lang sind.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Feststellung, ob das zu überwachende Ventil einen Defekt aufweist, durch eine Bildung von Kennwerten aus dem ersten Schallsignal und/oder dem mindestens einen zweiten Schallsignal, wobei für jedes Auswerteintervall mindestens ein Kennwert bestimmt wird. Vorzugsweise wird für jedes Auswerteintervall genau ein Kennwert ermittelt, der einen charakteristischen Wert des Schallsignals innerhalb des kompletten Auswerteintervalls darstellt. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Kennwert durch einen mittleren Schallpegel, einen Extremwert eines Schallpegels oder eine Frequenzanalyse des Schallsignals gebildet. Ein defektes Ventil führt wie bereits beschrieben zu einer Erhöhung des Strömungsgeräusches, was zu einem erhöhten Schallpegel führt. Andererseits wurde festgestellt, dass auch das Frequenzspektrum des gemessenen Schallsignals durch einen Ventildefekt verändert wird. Möglich ist auch, mehrere Kennwerte parallel zu verwenden, z. B. mit einer entsprechenden Gewichtung. Grundsätzlich kann der Kennwert einen einzelnen Wert darstellen, mehrere diskrete Werte darstellen oder auch eine kontinuierliche Funktion darstellen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Feststellung, ob das zu überwachende Ventil einen Defekt aufweist, die Auswertung eines stromabwärts und/oder stromaufwärts von dem zu überwachenden Ventil gemessenen Drucks. Defekte Ventile führen zu charakteristischen Druckveränderungen, so dass entsprechende Druckmessungen zusätzlich eingesetzt werden können, um Hinweise über den Pumpenzustand zu erhalten. Insbesondere kann durch die Druckmessung festgestellt werden, ob eine Vielzahl von Ventilen defekt ist, da in diesem Fall eine deutliche Druckveränderung messbar ist, wohingegen unter Umständen je nach Messmethode defekte Ventile durch Schallsignalmessungen in diesem Fall nur schwer zu erkennen sind. Insbesondere vorteilhaft ist die Druckmessung, um den aktuellen Förderdruck der Pumpe in die Auswertung einfließen lassen zu können. So zeigte sich, dass der Förderdruck einen erheblichen Einfluss auf das gemessene Schallsignal geschlossener, defekter Ventile hat.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren in einer Verdrängerpumpe angewandt. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren in Spülpumpen (mud pumps) eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen von Ventilen in Pumpen mit mindestens zwei Zylindern, wobei Ventile der mindestens zwei Zylinder unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeitpunkte zueinander aufweisen, gemäß einem der zuvor beschriebenen Verfahren umfasst mindestens einen Sensor zum Aufnehmen eines Schallsignals. Dabei kann es sich um einen Körperschallsensor, einen Vibrationssensor, ein Mikrophon oder Ähnliches handeln. Optimale Ergebnisse werden mit einem Sensor pro Ventil erzielt, wobei auch weniger Sensoren denkbar sind, z. B. ein Sensor pro Zylinder oder sogar ein Sensor für mehrere Zylinder, auch für die komplette Pumpe.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens einen Sensor zum Aufnehmen eines stromabwärts und/oder stromaufwärts des zu überwachenden Ventils herrschenden Drucks auf. Eine kombinierte Geräuschpegel- und Druckmessung ist somit durchführbar. In der Regel wird hierfür ein einzelner Drucksensor für die Pumpe vorgesehen, der sich in der gemeinsamen Ableitung oder Zuleitung der Pumpe befindet.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens einen Sensor zum Feststellen von Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkten von Ventilen auf. Es kann sich hierbei um einen Sensor zum Aufnehmen des Winkels einer Kurbelwelle handeln, die die Kolben der Zylinder antreibt. Durch ein Signal eines solchen Sensors kann über den Kurbelwellenwinkel jederzeit der Zustand der Ventile, also ob diese geöffnet oder geschlossen sind, bestimmt werden. Die Information über die Zustände der Ventile könnte jedoch ebenso ohne einen entsprechenden Sensor gewonnen werden, indem die gemessenen Geräuschpegel dahingehend ausgewertet werden, ob ein für ein Schließen oder Öffnen charakteristisches Schallsignal vorliegt. So entstehen beispielsweise beim Schließen eines Ventils Spitzen im gemessenen Schallsignal aufgrund des Aufschlagens des Ventils auf einen Ventilsitz.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
1: eine Pumpe mit drei Zylindern und Sensoren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: Aufzeichnungen von Messergebnissen durchgeführt an einer Pumpe gemäß 1,
3: Kennwerte für die Ventile der Pumpe gemäß 1 resultierend aus den Messergebnissen gemäß 2,
4: eine schematische Darstellung des Informationsflusses einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Pumpe 1, umfassend drei Zylinder 2, 3, 4, eine sogenannte Triplexpumpe. In jedem Zylinder 2, 3, 4 wird ein Kolben 5, 6, 7 periodisch zwischen zwei Endpositionen hin- und herbewegt und ist mit einer Zuleitung 8 sowie einer Ableitung 9 verbunden. Die Zuleitung 8 sowie die Ableitung 9 sind über Rückschlagventile 10–15 mit den Zylindern 2, 3, 4 verbunden, so dass ein Fluid im Betrieb der Pumpe 1 von der Zuleitung 8 in die Ableitung 9 gepumpt wird. Die Kolben 5, 6, 7 werden durch eine Kurbelwelle 16 angetrieben. Durch die Gestaltung der Kurbelwelle 16 wird gewährleistet, dass die Zylinder 2, 3, 4 jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten ihre jeweiligen Endpositionen erreichen. Somit öffnen und schließen die Ventile 10–15 ebenfalls zu unterschiedlichen Zeitpunkten, d. h. die Öffnungszeitpunkte und Schließzeitpunkte sind verschieden. Dadurch entsteht auch keine vollständige Überlappung von Öffnungszeiten oder Schließzeiten der einzelnen Zylinder 2, 3, 4 untereinander.
Die Pumpe 1 wurde mit Sensoren ausgestattet, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können. Im Einzelnen wurden Schallsensoren 17–22, zur Messung von Schallsignalen, ein Drucksensor 23, zum Messen eines Fluiddrucks, sowie ein Winkelsensor 24, zum Messen des Winkels der Kurbelwelle 16 vorgesehen.
An jedem Ventil 10–15 befindet sich ein dem Ventil zugeordneter Schallsensor 17–22, der jeweils am Ventilgehäuse angeordnet ist. Die Schallsensoren 17–22 sind mit einer nicht dargestellten Messvorrichtung zur Feststellung, ob das entsprechende Ventil einen Defekt aufweist, gekoppelt. Diese Verbindung kann über Kabel oder kabellos erfolgen.
Der Winkelsensor 24 kann den Winkel der Kurbelwelle 16 messen. Zur Durchführung des Verfahrens wird zu Beginn eine Korrelation zwischen Winkel der Kurbelwelle und Öffnungszeitpunkte sowie Schließzeitpunkte der einzelnen Ventile 10–15 in einem nicht dargestellten Speicher der Messvorrichtung hinterlegt.
Der Drucksensor 23 misst den stromabwärts herrschenden Fluiddruck in der Ableitung 9 und ist ebenfalls mit der Messvorrichtung gekoppelt.
2 zeigt Messergebnisse, erhalten von einer Triplexpumpe, wie sie in 1 dargestellt ist. Zu erkennen ist für jeden Zylinder der gemessene Schallpegel, gemessen durch einen Beschleunigungssensor mit Einheit g. Dieser wurde mit einem Sensor an dem Zylinder gemessen und entspricht dem Schallpegel der beiden Ventile dieses Zylinders. Dabei zeigt 2a) den Schallpegel des ersten Zylinders 2, 2b) den Schallpegel des zweiten Zylinders 3 und 2c) den Schallpegel des dritten Zylinders 4. Aufgetragen ist jeweils der Schallpegel über dem Winkel der Kurbelwelle 16.
Bei der Triplexpumpe sind die Öffnungs- und Schließzeitpunkte vom ersten zum zweiten und vom zweiten zum dritten Zylinder jeweils um 120 Grad versetzt. Die Öffnungs- und Schließzeiten aller Zylinder 2, 3, 4 sind gleich groß und entsprechen damit 180 Grad des Winkels der Kurbelwelle 16.
In diesem Beispiel weist das Ventil 11 des ersten Zylinders 2, nämlich das Auslassventil, einen Defekt auf. Dieser Defekt bewirkt während des Betriebs ein erhöhtes Schallsignal, sobald das Ventil 11 geschlossen ist, da ein Leckagestrom Turbulenzen sowie Kavitationen verursacht. Demzufolge wird durch den dem Ventil 11 zugeordneten Schallsensor 18 ein entsprechendes Signal erfasst. Die restlichen Ventile 10, 12, 13, 14, 15 sind intakt.
Wie in 2b) und 2c) zu erkennen ist, wird durch das erhöhte Schallsignal am ersten Zylinder 2 auch das an den beiden anderen Zylindern 3, 4 gemessene Schallsignal beeinflusst. Durch die mechanische Kopplung der drei Zylinder, beispielsweise über ein gemeinsames Pumpengehäuse 25 (1), entsteht somit ein Übersprechen des Schallsignals.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun beispielsweise bei der Feststellung, ob das Ventil 12 einen Defekt aufweist, für die Auswertung nicht das Schallsignal herangezogen, das über die komplette Schließzeit 26 des Ventils 12 gemessen wurde. Erfindungsgemäß wird zwar zunächst das Schallsignal während der Schließzeit 26, die in diesem Fall komplett dem Messintervall entspricht, gemessen. Das Messintervall wird jedoch in drei gleichgroße Teilintervalle 27, 28, 29 aufgeteilt. Die Größe der Teilintervalle entspricht dabei dem minimalen Abstand zweier Ventilschaltzeitpunkte, nämlich 60 Grad. Der in diesem Beispiel verwendete Kennwert entspricht dem mittleren Schallpegel. D. h. für jedes Teilintervall wird nun der mittlere Schallpegel bestimmt und das Teilintervall mit dem Minimalwert dieses Kennwerts, nämlich Teilintervall 27, wird als Auswerteintervall festgelegt.
Der in dem Teilintervall 27 herrschende Wert des Kennwerts wird somit für die Feststellung, ob Ventil 12 einen Defekt aufweist, verwendet. Dieser Kennwert kann beispielsweise mit einem Referenzkennwert verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Schwellwerts kann eine entsprechende Rückmeldung erfolgen.
Falls der Referenzkennwert durch Messung von Schallsignalen der übrigen Ventile im jeweils geschlossenen Zustand dieser Ventile bestimmt werden soll, wird wie zuvor beschrieben für jedes Messintervall ein Auswerteintervall 30–34 bestimmt, welches einen Referenzkennwert liefert.
3 zeigt die in den Auswerteintervallen 27, 30–34 ermittelten Kennwerte auf der Y-Achse dargestellt für die jeweiligen Ventile 10–15 auf der X-Achse. Deutlich erkennbar ist, dass die Kennwerte der intakten Ventile im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen, d. h. dass diese Kennwerte von dem Übersprechen bereinigt wurden.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Überwachungsvorrichtung 35 umfasst eine Messeinrichtung 36, die mit den Schallsensoren 17, 18 usw. sowie mit dem Drucksensor 23 und dem Winkelsensor 24 verbunden ist. Die Ventilzustände können beispielsweise visuell und/oder akustisch direkt an der Messeinrichtung 36 ausgegeben werden. Die Messeinrichtung 36 kann diese Information auch zusätzlich oder alternativ an eine separate Ausgabeeinrichtung kabellos oder kabelgebunden weiterleiten. Auch kann die Messeinrichtung 36 mit einem Computer 37 verbunden werden für beispielsweise längerfristige Datenspeicherung, Kontrolle von Messdaten, Analyse von Messdaten, Ausgabe der Messdaten etc.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Zylinder
3: Zylinder
4: Zylinder
5: Kolben
6: Kolben
7: Kolben
8: Zuleitung
9: Ableitung
10: Ventil
11: Ventil
12: Ventil
13: Ventil
14: Ventil
15: Ventil
16: Kurbelwelle
17: Schallsensoren
18: Schallsensoren
19: Schallsensoren
20: Schallsensoren
21: Schallsensoren
22: Schallsensoren
23: Drucksensor
24: Winkelsensor
25: Pumpengehäuse
26: Schließzeit des Ventils 12
27: Teilintervall
28: Teilintervall
29: Teilintervall
30: Auswerteintervall Ventil 11
31: Auswerteintervall Ventil 10
32: Auswerteintervall Ventil 13
33: Auswerteintervall Ventil 14
34: Auswerteintervall Ventil 15
35: Überwachungsvorrichtung
36: Messeinrichtung
37: Computer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1625321 A1 [0006, 0006]
EP 1477678 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Überwachen von Ventilen in Pumpen mit mindestens zwei Zylindern, wobei Ventile der mindestens zwei Zylinder unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeitpunkte zueinander aufweisen, umfassend die Schritte: A1) Messung eines ersten Schallsignals eines zu überwachenden Ventils während eines ersten Messintervalls im geschlossenen Zustand dieses Ventils, A2) Bestimmung für das erste Messintervall ein erstes Auswerteintervall als dasjenige Zeitintervall innerhalb des ersten Messintervalls, in dem ein Kennwert des Schallsignals einen Minimalwert annimmt, B) Feststellung, ob das zu überwachende Ventil einen Defekt aufweist, basierend auf dem Kennwert innerhalb des ersten Auswerteintervalls und mindestens einem Referenzkennwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzkennwert durch einen gespeicherten Wert gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Bildung eines Referenzkennwerts: A3) Messung eines zweiten Schallsignals des zu überwachenden Ventils während eines zweiten Messintervalls während dessen das zu überwachende Ventil geöffnet ist, A4) Bestimmung für das zweite Messintervall ein zweites Auswerteintervall als dasjenige Zeitintervall innerhalb des zweiten Messintervalls, in dem ein Kennwert des zweiten Schallsignals einen Minimalwert annimmt, wobei der Referenzkennwert dem Kennwert innerhalb des zweiten Auswerteintervalls entspricht.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Bildung eines Referenzkennwerts: A5) Messung mindestens eines zweiten Schallsignals eines anderen Ventils während eines zweiten Messintervalls, A6) Bestimmung für das zweite Messintervall ein zweites Auswerteintervall als dasjenige Zeitintervall innerhalb des zweiten Messintervalls, in dem ein Kennwert des zweiten Schallsignals einen Minimalwert annimmt, wobei der Referenzkennwert dem Kennwert innerhalb des zweiten Auswerteintervalls entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des ersten Schallsignals und des zweiten Schallsignals zeitnah, insbesondere innerhalb eines Pumpenzyklus, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messintervall im Wesentlichen einer Schließzeit des zu überwachenden Ventils und/oder das mindestens eine zweite Messintervall im Wesentlichen einer Öffnungszeit des zu überwachenden Ventils oder einer Öffnungszeit und/oder Schließzeit des anderen Ventils entspricht.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messintervall und/oder das mindestens eine zweite Messintervall in mehrere gleichlange Teilintervalle unterteilt wird und ein Teilintervall mit einem Minimalwert des Kennwerts innerhalb des Teilintervalls als das Auswerteintervall bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Teilintervalle einem minimalen Abstand zwischen Schließ- und/oder Öffnungszeitpunkten der Ventile der Zylinder entspricht.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert durch einen mittleren Schallpegel, einen Extremwert eines Schallpegels oder eine Frequenzanalyse des Schallsignals gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellung, ob das zu überwachende Ventil einen Defekt aufweist, die Auswertung eines stromabwärts und/oder stromaufwärts von dem zu überwachenden Ventil gemessenen Drucks umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Verdrängerpumpe angewandt wird.
Vorrichtung zum Überwachen von Ventilen in Pumpen mit mindestens zwei Zylindern gemäß einem Verfahren der vorangegangen Ansprüche, wobei Ventile der mindestens zwei Zylinder unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeitpunkte zueinander aufweisen und wobei die Vorrichtung mindestens einen Sensor zum Aufnehmen eines Schallsignals umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Sensor zum Aufnehmen eines stromabwärts und/oder stromaufwärts des zu überwachenden Ventils herrschenden Drucks aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Sensor zum Feststellen von Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkten von Ventilen aufweist.