DE102010049138A1

DE102010049138A1 - Vorrichtung zur Pumpenüberwachung

Info

Publication number: DE102010049138A1
Application number: DE102010049138A
Authority: DE
Inventors: Dr. Böhm Alexander; Gerd Ebelt; Stefan Laue; Ursula Kronfeld; Dr. Schullerer Joachim; Dr. Schramm Bernd; Georg Herzing
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-04-26
Also published as: CN103249952A; BR112013009576A8; CN103249952B; EP2630372A1; MX2013004444A; RU2559104C2; DK2630372T3; RU2013123455A; BR112013009576A2; EP2630372B1; WO2012052246A1; US20130230381A1; PL2630372T3; BR112013009576B1

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von rotierenden Bauteilen bei Kreiselpumpen oder Anlagen, die Kreiselpumpen umfassen, bestehend aus einer mit dem zu überwachenden Bauteil fest verbundenen ersten Einheit, umfassend mindestens einen Sensor zur Erfassung von Bauteileigenschaften, eine Auswerteeinheit zur Analyse von Sensorsignalen, einer Sendeeinheit zur Übertragung eines Analyseergebnisses an einen vom überwachten Bauteil räumlich getrennten Empfänger und eine Quelle zur Energieversorgung, und einer zweiten Einheit umfassend eine Empfängereinheit, einem Mittel zur Auswertung des übertragenen Signals und Mitteln zur Darstellung und/oder Weiterleitung einer erfassten Bauteileigenschaft, bei dem die Übertragung des Analyseergebnisses akustisch, mithilfe von Schallwellen erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von rotierenden Bauteilen bei Kreiselpumpen oder Anlagen, die Kreiselpumpen umfassen.
Kreiselpumpen werden in einer Vielzahl von Anlagen eingesetzt, wo sie mitunter sehr rauen Bedingungen ausgesetzt sind. Der Zustand einer Kreiselpumpe, insbesondere des Laufrades, muss deshalb in Abhängigkeit von der Anwendung genau überwacht werden um eine Beschädigung der Kreiselpumpe oder der gesamten Anlage zu vermeiden.
Die DE 40 055 03 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laufrades mittels eines Lichtsenders und einer optischen Sonde. Diese Form der Überwachung erfordert eine stationäre Zentrierung von Lichtsender und Sensor auf die Vorderkanten der Flügel. Allerdings eignet sich diese Überwachungsmethode nur für eine Kreiselpumpe, die ein optisch durchsichtiges Medium fördert.
Durch die DE 10 2008 019 472 A1 ist eine Vakuumpumpe mit einem Pumpenstator und einem Pumpenrotor bekannt, wobei der Pumpenrotor einen Transponder enthält. Zusätzlich sind im Rotor Sensoren, ein Mikrokontroller und ein Speicher angeordnet, die mit dem Transponder verbunden sind. Ein im Stator angeordneter Reader liest aus dem Transponder die Sensordaten vom Rotor aus. Diese Überwachungsart stellt sehr hohe Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit der Vakuumpumpe.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Überwachung von rotierenden Bauteilen bei Kreiselpumpen oder Anlagen, die Kreiselpumpen umfassen zu schaffen, die für beliebige flüssige oder feststoffbeladene Fördermedien anwendbar und unabhängig von elektromagnetischen Randbedingungen ist.
Die Lösung sieht eine Vorrichtung zur Überwachung von rotierenden Bauteilen bei Kreiselpumpen oder Anlagen, die Kreiselpumpen umfassen vor, wobei die Signalübertragung akustisch, mithilfe von Schallwellen erfolgt. Dies ermöglicht eine einfache und sichere Übertragung von Signalen eines überwachten rotierenden Bauteils.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind auf der Übertragungsstrecke zwischen einer ersten Einheit, der Sendeeinheit, und einer zweiten Einheit, der Empfängereinheit, flüssige und feste schallleitende Medien vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass der Schall entlang eines Weges führbar ist und die Eigenschaften des Weges klar bestimmbar sind. Die Phasenübergänge vom Schall zwischen festen und flüssigen Medien können bei der Übertragung berücksichtigt werden. Eine entsprechende Kodierung des Signals berücksichtigt Verluste an den Phasenübergängen.
Einen weiteren Vorteil erzielt man, indem die erste Einheit über einen Sollwertspeicher verfügt, in dem Vergleichswerte für die gemessenen Sensorsignale hinterlegt sind. In diesem Sollwertspeicher lassen sich Schwellenwerte hinterlegen, die mit den Messwerten verglichen werden. Wird ein Schwellenwert erreicht, so wird ein entsprechendes Signal an die Empfängereinheit gesendet.
Eine Verschlechterung des übertragenen Signals wird verhindert, indem die Frequenz zur Informationsübertragung abweichend von Frequenzen von Systemgeräuschen gewählt ist. Als Systemgeräusche sind alle akustischen Emissionen der Kreiselpumpe und der mit ihr verbundenen Bauteile zu verstehen. Insbesondere die Kombination von unterschiedlichen Bauteilen führt zu Eigenfrequenzen des Systems, die spezifisch von der individuellen Konfiguration der Anlage abhängen. Durch diese Maßnahme werden Fehlinterpretationen bei der Analyse der empfangenen Signale verhindert. Bei einer gezielten Anpassung des Signals wird die Übertragung unempfindlich gegenüber Störungen durch oben genannte Systemgeräusche.
Um Umgebungsgeräusche, also akustische Einflüsse auf die Kreiselpumpe oder die Anlage, die von außen eingetragen werden, von den akustisch übertragenen Signalen unterscheiden zu können, ist bei der zweiten Einheit ein Schallwellensensor zur Ermittlung von Umgebungsgeräuschen vorgesehen. Mithilfe eines geeigneten Filters lassen sich die Umgebungsgeräusche vom übertragenen Signal trennen, wodurch die Signalinformation verbessert wird.
Der Einsatz einer Sendeeinrichtung, die fest mit dem Kreiselpumpenlaufrad verbunden ist, findet häufig in einer für elektronische Komponenten sehr rauen Umgebung statt. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die erste Einheit in ein Bauteil integriert ist, insbesondere, wenn sie in das Bauteil eingegossen ist. Die Oberfläche des Bauteils schützt somit zugleich die Sendeeinrichtung. Aufgrund der akustischen Übertragung ist es möglich, die erste Einheit in ein metallisches Bauteil zu integrieren, da die akustische Signalübertragung in Metallen hervorragend funktioniert. Ebenso ist es möglich die zweite Einheit, die den Empfänger umfasst in ein metallisches Gehäuse zu integrieren oder von außen auf das Gehäuse aufzusetzen.
Die erste Einheit ist mit einer Energieversorgung ausgestattet, wobei es sich hier im einfachsten Fall um eine Batterie handelt. Es können auch Generatoren vorgesehen sein, die aus der Bewegung des Bauteils, aus Vibrationen oder Temperaturgradienten elektrische Energie gewinnen. Die autarke Versorgung der ersten Einheit mit Energie ist insbesondere dann wesentlich, wenn diese gekapselt in das Bauteil eingebettet ist. Die Energieversorgung ist in diesem Fall über die Lebensdauer des Bauteils zu sichern.
Der Sensor der ersten Einheit ist in einer Ausgestaltung der Erfindung dafür ausgelegt, Bauteileigenschaften der Kreiselpumpe oder der Anlage zu erfassen, beispielsweise Maschinentemperatur, mechanischer Druck bzw. Spannung oder Bauteilbruch. Hierdurch ist eine gezielte Überwachung einzelner Bauteile möglich. Besonders Bauteilbrüche sind durch entsprechende Bruchsensoren, die als durch das Bauteil verlaufende Drähte ausgeführt sind, auf einfache Art feststellbar, da eine Unterbrechung des Drahtes bei Bauteilbruch durch einen einfachen Kurzschluss des Drahtes feststellbar ist. Außerdem können durch einen Sensor Betriebsparameter erfasst werden. Bei der Kreiselpumpe sind diese beispielsweise Drehzahl, Leistungsbedarf oder Einsatzdauer. Dies ermöglicht eine weitere Überwachung der Bauteile, deren Zustand stark von diesen Parametern abhängig sein kann.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, dass der Sensor Eigenschaften des Fördermediums erfasst. Hierbei kann beispielsweise die Viskosität, Temperatur oder Konzentration des Mediums festgestellt werden, die dann von dem Mikroprozessor ausgewertet werden. Dessen Analyseergebnisse werden nach Außen übertragen.
Es soll des Weiteren ein Verfahren zur Überwachung von Bauteilen mit einer vorgenannten Vorrichtung beschrieben werden, bei dem eine Abfrage des mindestens einen Sensors in zyklisch wiederkehrenden Abständen erfolgt. Die gemessenen Sensordaten werden mit Sollwerten aus dem Sollwertspeicher verglichen und bei Überschreiten eines Schwellenwertes wird ein Signal an die Empfangseinheit gesendet. Alternativ ist es möglich, dauerhaft ein Signal zu senden, wodurch die Funktionalität der Sendeeinrichtung feststellbar ist. Im Fall, dass ein Schwellenwert überschritten wird, wird kein Signal mehr gesendet, womit eine Störung angezeigt wird, die eine Überprüfung der Kreiselpumpe oder der Anlage erforderlich macht.
Die Empfangseinheit empfängt fortlaufend Geräusche und filtert gezielt nach eventuellen Sendegeräuschen, nämlich gebbaren Frequenzen und Pulsformen. Wird ein Signal festgestellt, so wird dieses ausgewertet und entweder auf einer Anzeige angezeigt und/oder an eine übergeordnete Anlagensteuerung weitergeleitet.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der Signalauswertung eine Information verwendet, die die Umgebungsgeräusche der Kreiselpumpe oder Anlage berücksichtigt. Hierdurch können Fehler reduziert werden.
Die Erfindung umfasst weiter ein Laufrad einer Kreiselpumpe, das mit der Vorrichtung zur Bauteilüberwachung ausgestattet ist. Diese einfache und kostengünstige Vorrichtung ermöglicht eine kontaktlose Überwachung des Laufrades, wobei bei der kontakt- oder drahtlosen Signalübertragung weder Eigenschaften des Fördermediums noch elektromagnetische Einflüsse aus der Umgebung der Kreiselpumpe berücksichtigt werden müssen.
Für eine Integration der Vorrichtung zur Bauteilüberwachung in ein Laufrad eignet es sich besonders, wenn das Laufrad aus einem Polymerwerkstoff hergestellt ist, insbesondere aus Polymerbeton oder Mineralguss. Diese Werkstoffe werden kalt gegossen, so dass ein besonderer Schutz der eingegossenen ersten Einheit nicht notwendig ist.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus der Kombination der bisher dargestellten und sind deshalb hier nicht weiter ausgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung von rotierenden Bauteilen bei Kreiselpumpen oder Anlagen, die Kreiselpumpen umfassen, bestehend aus einer ersten Einheit 1, die fest mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden ist. Neben einer Anordnung in direkter Nachbarschaft zum Bauteil gibt es die Möglichkeit, die erste Einheit direkt in das Bauteil einzuarbeiten. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn das Bauteil aus einem Gussmaterial besteht, das bei geringen Temperaturen gegossen werden kann, beispielsweise einem Polymerwerkstoff, insbesondere Polymerbeton oder Mineralguss. Dazu wird die fertig konfigurierte, autarke und kabellos ausgelegte erste Einheit beispielsweise in ein Kreiselpumpenlaufrad eingegossen. Das Bauteil selbst ist zur vereinfachten Darstellung nicht abgebildet.
Die erste Einheit 1 umfasst einen Sensor 2 zur Erfassung von Bauteileigenschaften, der an einem Sensoranschluss 3 mit der ersten Einheit 1 verbunden ist. Auch ist es möglich mehrere Sensoren 2 mit der ersten Einheit 1 zu verbinden. Als Sensoren 2 kommen beispielsweise Temperatur-, Druck- und/oder Stoffsensoren oder andere in Betracht. In der Figur ist ein Bruchsensor angedeutet, der aus mindestens einem Draht besteht, der durch bruchgefährdete Bereiche des Bauteils verläuft. Bildet sich am Bauteil ein Riss an einer Stelle, durch die der Draht verläuft, so wird der Draht bei fortschreitendem Riss reißen und die elektrische Leitung entlang dieses Drahtes unterbrochen. Auf diese Weise lassen sich einfacher Weise im Bauteil Risse detektieren. Bei mehreren parallel geschalteten Drähten kann zudem ein Fortschreiten der Rissbildung beobachtet werden.
Eine Mikroprozessor 4 zur Analyse von Sensorsignalen wertet die vom Sensor 2 aufgenommenen Daten direkt aus und leitet das Analyseergebnis an eine Sendeeinheit 5 zur Übertragung an einen vom überwachten Bauteil räumlich getrennten Empfänger weiter. Die Häufigkeit der Sensorabfrage hängt von der Wahrscheinlichkeit eines zu erwartenden Ereignisses ab. Sie beeinflusst wesentlich den Energiebedarf. Eine geringe Überprüfungsfrequenz führt zu langen Batterielebensdauern und wird weiter verbessert, wenn das System in den Pausen zwischen zwei Abfragen in einen Energiesparmodus überführt oder abgeschaltet wird.
Die erfindungsgemäße Bauteilüberwachung durch die akustische Datenübertragung stellt die innerhalb des verwendeten Aufbaus sicherste und kostengünstigste Variante dar. Das Signal 8 kann als ein akustisches Nachrichtentelegramm ausgebildet sein, das verschiedene Frequenzen, Pulsfolgen oder Kombinationen daraus enthalten kann. Durch eine Wiederholung desselben Signals können Fehlübertragungen vermieden werden. Die Ausführung des Schallerzeugers, der in dieser Ausführung die Sendeeinheit 5 bildet, hängt stark von der zu übertragenden Information, den verwendeten Frequenzen und dem umgebenden Fördermedium ab, da dieses vom Signal 8 durchlaufen werden muss. Hierbei ist zu beachten, dass das Signal bei einer eingebetteten ersten Einheit zunächst das Bauteil verlassen muss, wobei ein Übergang zwischen dem festen Bauteil und dem flüssigen oder feststoffbehafteten Fördermedium stattfindet. Ein weiterer Übergang des Signals findet statt, wenn die zweite Einheit ebenfalls in ein festes Bauteil integriert ist, beispielsweise in ein Gehäuse, oder wenn die zweite Einheit auf der Außenseite eines Gehäuses, innerhalb der akustischen Reichweite, angebracht ist. Auf der ersten Einheit 1 ist außerdem eine Quelle zur Energieversorgung 6 untergebracht. Hierfür eignet sich eine Batterie ebenso wie eine Vorrichtung, die aus der Bewegung des rotierenden Laufrades oder aus Temperaturverteilungen im Laufrad Energie gewinnen kann.
Die 1 zeigt weiter eine zweite Einheit 9, die mit einer Empfängereinheit 10 ausgestattet ist. Diese wird im Einsatz bei einer Kreiselpumpe im oder am Pumpengehäuse angebracht. Je nach Belastung durch das Fördermedium ist die Empfängereinheit mit einem Schutz zu versehen. Wie bei der ersten Einheit 1 kann es sich anbieten, die zweite Einheit 9 direkt in das Pumpengehäuse einzugießen. Der Empfänger 10 ist bezüglich seines erfassbaren Frequenzbereichs auf den Sender 5 abgestimmt. Die erfassten Signale werden einer Auswerteeinheit 11 zugeleitet. Das Auswerteergebnis lässt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel direkt an der Pumpe anzeigen, wofür ein entsprechendes Anzeigemittel 12 vorgesehen ist. Die Anzeige kann akustisch oder optisch erfolgen. Alternativ besteht die Möglichkeit, das Auswerteergebnis an eine übergeordnete Anlagensteuerung weiterzuleiten, wofür der Anschluss 13 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Erste Einheit
2: Sensor
3: Sensoranschluss
4: Mikroprozessor
5: Sendeeinheit
6: Energieversorgung
7: Übertragungsstrecke
8: Signal
9: Zweite Einheit
10: Empfänger
11: Auswerteeinheit
12: Anzeige
13: Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4005503 A1 [0003]
DE 102008019472 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Überwachung von rotierenden Bauteilen bei Kreiselpumpen oder Anlagen, die Kreiselpumpen umfassen, bestehend aus einer mit dem zu überwachenden Bauteil fest verbundenen ersten Einheit (1), umfassend eine Quelle zur Energieversorgung (6), mindestens einen Sensor (2), einen Mikroprozessor (4), eine Sendeeinheit (5) zur Übertragung eines Signals (8) an einen vom überwachten Bauteil räumlich getrennten Empfänger, und einer zweiten Einheit (9) umfassend eine Empfängereinheit (10), ein Mittel (11) zur Auswertung des übertragenen Signals (8) und Mitteln (12) zur Darstellung und/oder Weiterleitung (13) einer erfassten Bauteileigenschaft, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung des Signals (8) akustisch, mithilfe von Schallwellen erfolgt
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Übertragungsstrecke (7) zwischen der Sendeeinheit (5) und der Empfängereinheit (10) flüssige und feste schallleitende Medien vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) der ersten Einheit (1) einen Sollwertspeicher enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Frequenz und Phasenlage der Informationsübertragung abweichend von Frequenzen von Systemgeräuschen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Einheit (9) ein Schallwellensensor zur Erfassung von Umgebungsgeräuschen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Einheit (1) in ein Bauteil integriert ist, insbesondere eingegossen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Einheit (1) über eine Energieversorgung (6) verfügt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sensor (2) Betriebsparameter der Kreiselpumpe oder der Anlage erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sensor (2) Bauteileigenschaften der Kreiselpumpe oder der Anlage erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Sensor (2) ein Bruchsensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Sensor (2) Eigenschaften des Fördermediums erfasst.
Verfahren zur Überwachung von rotierenden Bauteilen mit einer Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abfrage des mindestens einen Sensors (2) in zyklisch wiederkehrenden Abständen erfolgt, wobei die Sensordaten mit Sollwerten aus dem Sollwertspeicher verglichen und bei Überschreiten eines Schwellenwertes ein Signal (8) an die Empfangseinheit (10) gesendet wird, wobei die Empfangseinheit (10) das Signal (8) auswertet und es entweder auf einer Anzeige (12) anzeigt oder/und es an eine übergeordnete Anlagensteuerung weiterleitet.
Verfahren zur Überwachung von Bauteilen mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Signalauswertung eine Information verwendet wird, die die Umgebungsgeräusche der Kreiselpumpe oder Anlage berücksichtigt.
Laufrad einer Kreiselpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung zur Überwachung nach den Ansprüchen 1 bis 11 ausgestattet ist.
Laufrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Polymerwerkstoff, insbesondere Polymerbeton, hergestellt ist.