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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gasmesssystem mit einer Gasmessvorrichtung und mit einer Pumpeinrichtung. Gasmesssysteme und Gasmessvorrichtungen werden zur technischen Gasmessung eingesetzt und schützen Personen, welche sich in Arealen oder Räumen aufhalten, vor Gefahren für Gesundheit und Leben. Im Umfeld der Industrie, wie petrochemischer Industrie, Raffinerien, chemischer Industrie ist die technische Gasmessung von Bedeutung zur Überwachung explosiver oder giftiger Gase oder Dämpfe. Zum Einsatz kommen dabei sowohl mobile, wie auch stationäre Geräte. Es werden auch Kombinationen aus mobilen oder stationären Geräten eingesetzt, um Gaskonzentrationen oder Gasanalysen in Langertanks, Bohrlöchern, oder Silos vornehmen zu können. So ist aus der
DE 10 2005 045 272 B4 eine Kombination aus einem mobilen Gasmessgerät mit einer Aufladestation zur Versorgung mit elektrischer Energie, sowie mit einer Pumpe bekannt. Damit ist es möglich, mobile Gasmessgeräte auch zu einer Messung von Gaskonzentrationen in einem Förderschacht oder in einem Bohrloch einzusetzen, in dem mittels der Pumpe über eine lange Schlauchleitung die Gaskonzentration aus dem Bohrloch an die Oberfläche zu dem mobilen Gasmessgerät gefördert werden kann. Die Steuerung der Pumpe mit Förderbeginn, Fördermenge, Förderende und weiteren Betriebseigenschaften der Pumpe, erfolgt dabei durch das mobile Gasmessgerät, bzw. dessen Steuerung. Für eine Durchführung von Gasmessungen mittels Pumpen ist es im Einsatz wesentlich und erforderlich, Informationen über die Funktionsbereitschaft der Pumpe vorliegen zu haben. Insofern können beispielsweise verschmutze Feinstaub- oder Partikel-Filter, wie auch poröse Schlauchleitungen oder ein Verschleiß an den mechanischen Lagern der Pumpe einen Einfluss auf die Funktionsbereitschaft der Pumpe ausüben:
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Die vorliegende Erfindung hat sich in Kenntnis des zuvor angeführten bekannten Standes der Technik und Analyse der Nachteile des bekannten Standes der Technik daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren für eine Überprüfung einer Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem, bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, dass es ermöglicht, Veränderungen in Betriebseigenschaften der Pumpeinrichtung zu erkennen.
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Diese und weitere Aufgaben werden mit einem Verfahren zur Überprüfung einer Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweise Bezugnahme der Figuren näher erläutert.
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Grundlage der vorliegenden Erfindung ist, dass eine in einem Gasmesssystem angeordnete Pumpeinrichtung derart betrieben, kontrolliert, gesteuert oder geregelt wird, um die Funktionsfähigkeit der Pumpeinrichtung zu detektieren. Die Pumpeinrichtung weist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung einer Pumpeinrichtung eine Kontrolleinheit auf. Diese Kontrolleinrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung der Pumpeinrichtung im Gasmesssystem. Als weitere Komponenten zum Betrieb der Pumpeinrichtung wirken neben der Kontrolleinheit in der Pumpeinrichtung, mit einer Pumpe, der Pumpe, der zugehörige Schaltmittel oder zugehörige Sensorik mit. Schaltmittel und/oder Sensorik sind dabei beispielsweise ein oder mehrere Sensoren oder Messfühler zur Drehzahlmessung, elektrischen Strom- und/oder elektrischen Spannungsmessung, Umgebungsdruckmessung, Förderdruckmessung, Durchflussmessung oder Temperaturmessung. Die Pumpeinrichtung weist zusätzlich mindestens zu einer Förderung einer Menge eines Fluides, Gases oder Gasgemisches ausgebildete Pumpe, vorzugsweise mit einem elektrischen Pumpenmotor oder einem vergleichbaren Antrieb zu einer Förderung des Fluides, Gases oder Gasgemisches, auf. Die Pumpeinrichtung weist zudem vorzugsweise und in einer typischen Ausgestaltung einen zu einer Gasansaugung durch die Pumpe vorgesehenen und ausgebildeten Gaseinlass auf, sowie einen zu einer Abgabe der geförderten Menge eines Gases an die Gasmessvorrichtung ausgebildeten Gasauslass auf.
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Ein Gasmesssystem, in welchem die Pumpeinrichtung eingesetzt wird, weist neben der erfindungsgemäßen und erfindungswesentlichen Pumpeinrichtung ein Auswertesystem, eine Gasmessvorrichtung mit in der Gasmessvorrichtung vorhandener und zu einer Gasmessung geeigneter Gassensorik, sowie Komponenten zu einem Betrieb der Gasmessvorrichtung auf.
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Aus der
DE 699 02 327 T2 ist ein Kraftstoffliefersystem mit einem Dampfrückgewinnungssystem bekannt, bei dem für zukünftige Untersuchungen ein Grundlinienprofil von Betriebsparametern aufgenommen wird. In der
DE 10 2006 048 430 A1 wird festgestellt, dass zustandsüberwachende Algorithmen auf Basis eines kontinuierlichen Vergleichs neu extrahierter Merkmale - nämlich von Maschinenzuständen - mit ihren entsprechenden Basiswerten arbeiten.
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Zu Beginn werden einige der im Rahmen dieser Patentanmeldung verwendeten Begrifflichkeiten näher erläutert.
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Eine Datenverbindung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Verbindung von mindestens zwei Teilnehmern mittels einer drahtgebundenen, drahtlosen, optischen Verbindung, welche zu einer Übermittlung von Steuersignalen, Datensignalen oder Ausgabesignalen geeignet ist. Dabei sind sowohl direkte physikalische Verbindungen (Kabelverbindungen, Funkverbindungen, Lichtleiterverbindungen), wie auch indirekte oder logische Verbindungen zur Übermittlung von Informationen, Steuersignalen, Datensignalen oder Ausgabesignalen mit physikalischen oder datentechnischen Wandlungen oder Umwandlungen von Signalen, Spannungen, Strömen mit umfasst.
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Unter einem Steuersignal wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Steuersignal, ein Steuersignal als Teil einer Menge von Steuersignalen, wie auch eine Vielzahl oder eine Menge von Steuersignalen verstanden.
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Unter einem Datensignal wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Datensignal, ein Datensignal als Teil einer Menge von Datensignalen, wie auch eine Vielzahl oder eine Menge von Datensignalen verstanden.
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Unter einem Ausgabesignal wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Ausgabesignal, ein Ausgabesignal als Teil einer Menge von Ausgabesignalen, wie auch eine Vielzahl oder eine Menge von Ausgabesignalen verstanden. Unter einem Fehlersignal wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Signal oder eine Menge von Signalen verstanden, welches oder welche einen Zustand hinsichtlich einer Fehlersituation, eine Störung im Betrieb oder einen Fehler in der Signalverarbeitung, Signalerfassung oder Signalausgabe, bzw. Signalbereitstellung repräsentiert.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem Messgas ein Gas oder ein Gasgemisch zu verstehen, das derart beschaffen ist, dass der mindestens eine Gassensor der Gasmessvorrichtung auf eine Änderung einer Gaskonzentration dieses Messgases empfindlich ist und auf Änderungen in der Gaskonzentration dieses Messgases mit Änderungen des Gaskonzentrationsmesswertes reagiert.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem Nullungsgas ein Gas oder ein Gasgemisch zu verstehen, das derart beschaffen ist, dass der mindestens eine Gassensor der Gasmessvorrichtung auf eine Änderung einer Gaskonzentration dieses Gases oder Gasgemisches nicht empfindlich ist und auf Änderungen in der Gaskonzentration dieses Nullungsgases nicht mit Änderungen des Gaskonzentrationsmesswertes reagiert.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung einer Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem ist die Kontrolleinheit als Teil der Pumpeinrichtung oder als eine der Pumpeinrichtung zugeordnete Einheit vorgesehen. Eine solche Kontrolleinheit ist üblicherweise als eine zu einer Programmierung ausgestaltete programmierbare oder speicherprogrammierbare Einheit, beispielsweise in Form eines Microprozessors (µP), Mikrocomputers, Microcontrollers (µC) oder in vergleichbarer Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder eines programmierbaren Logikbaustein (ASIC, FPGA, PAL, GAL) ausgestaltet und ist zudem üblicherweise mit mindestens einem Element zur Datenspeicherung, wie flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicherbausteinen (RAM, ROM, EEPROM) oder Wechselmedien zur Datenspeicherung (SD-Card, CF-Card, USB-Stick) verbunden oder mit ebensolchen Elementen ausgestaltet.
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Zur Überprüfung der Pumpeinrichtung stellt die Sensorik Messwerte bereit, mit denen die Kontrolleinheit in der Lage ist, Betriebszustände der Pumpeinrichtung zu ermitteln.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überprüfung einer Pumpeinrichtung wird von der Kontrolleinheit in einer Schrittabfolge:
- - in einem ersten Betriebszustand von der Kontrolleinheit mindestens ein, den ersten Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierenden Wert erfasst wird und in dem mindestens einen Element zur Datenspeicherung als ein Initialisierungsdatensatz abgelegt,
- - in einem weiteren, dem ersten Betriebszustand zeitlich nachfolgenden Betriebszustand von der Kontrolleinheit mindestens ein, den weiteren Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierenden weiterer Wert, erfasst und in dem mindestens einen Element zur Datenspeicherung als ein Betriebsdatensatz abgelegt,
- - ein Vergleich der beiden Datensätze mit den die Betriebszustände der Pumpeinrichtung charakterisierenden Werten vorgenommen,
- - auf Basis des Vergleichs ein Maß für eine Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung bestimmt.
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Die folgende tabellarische Auflistung in Tabelle 1 zeigt auf, welche Messgrößen oder Stellgrößen von den in der Pumpeinrichtung im Betrieb mitwirkenden Sensoren oder Messfühlern, beispielsweise in Ausgestaltungen verschiedener Ausführungsformen jeweils für sich, oder in unterschiedlichen Kombinationen miteinander, als Werte zu einer Charakterisierung des Betriebszustands der Pumpeinrichtung geeignet sind und zu einer Speicherung in Betriebs-Datensätzen zweckdienlich, vorteilhaft und geeignet sind.
Tabelle 1
| ein von der Pumpeinrichtung erzeugter Förderdruck, beispielsweise in Form |
| eines Druckunterschiedes gegenüber einer Messumgebung (z.B. ehem. Anlage, Halle, Gebäude, Industrie-Gelände) oder gegenüber einem Messort mit einer auf von der Pumpe abweichenden Höhenlage (z.B. Tunnel, Erdtank, Lagertank, Silo), |
| ein Umgebungsluftdruck in der Messumgebung oder am Messort, |
| eine Zusammensetzung eines in der Messumgebung oder am Messort vorhandenen Gasgemisches, |
| eine Umgebungsfeuchtigkeit in der Messumgebung oder am Messort, |
| eine Umgebungstemperatur in der Messumgebung oder am Messort, |
| eine Betriebstemperatur der Pumpe, |
| eine von der Pumpe geförderte Durchfluss- oder Massendurchflussmenge, |
| eine zeitliche Änderung der von der Pumpe geförderten Durchfluss- oder Massendurchflussmenge, |
| eine von der Pumpe erzeugte Strömungsgeschwindigkeit, |
| eine Drehzahl n der Pumpe, |
| ein elektrischer Betriebsstrom I des Pumpenmotors, |
| eine elektrische Betriebsspannung U des Pumpenmotors |
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In den Datensätzen werden im ersten Betriebszustand der Pumpeinrichtung bei der Initialisierung, beispielsweise tabellarisch oder als Kennlinie, jeweils die erfassten Messwerte oder Stellwerte für die Drehzahl, den Förderdruck, die geförderte Durchflussmenge, die elektrische Stromaufnahme des Pumpenmotors, die Betriebstemperatur der Pumpe wie auch Messwerte der Umgebung, wie Luftdruck, Umgebungstemperatur oder Umgebungsfeuchte für den bei der Initialisierung als charakterisierende Werte des ersten Betriebszustand, gleichsam als Referenz abgelegt.
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Im Betrieb der Pumpeinrichtung werden die Messwerte im zweiten, dem ersten Betriebszustand zeitlich nachfolgenden Betriebszustand, erneut und wiederholt, beispielsweise tabellarisch oder als Kennlinie, jeweils weitere Werte für die Drehzahl, Förderdruck, geförderte Durchflussmenge, elektrische Stromaufnahme des Pumpenmotors, Luftdruck, Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte erfasst und im Betriebsdatensatz abgelegt. Durch einen Vergleich der Daten aus dem Initialisierungsdatensatz und dem Betriebsdatensatz ermittelt die Kontrolleinheit einen aktuellen Zustand der Pumpeinrichtung und das Maß für die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung.
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Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt auf, welche Eigenschaften der Pumpeinrichtung auf Basis charakterisierende Werte und/oder Messgrößen von der Kontrolleinheit analysiert werden können.
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Daneben zeigt die Tabelle 2 auf, welche Schlussfolgerungen und Folgen sich für eine Zustandsbewertung der Pumpeinrichtung, wie auch des Gasmesssystems mit Pumpeinrichtung und Gasmessvorrichtung auf Basis der in der Tabelle 1 aufgelisteten Werte, Messgröße oder Stellgrößen, wie auch Kombinationen mehreren Messgrößen oder Stellgrößen miteinander ergeben und welche Meldungen in Form von Hinweisen, Warnungen oder Alarmen an einen Anwender auf Basis der Zustandsbewertung ausgegeben werden können.
Tabelle 2
| Messgröße | Veränderung der Mess-/ Stellgrößen(n) | Analysierte Eigenschaft Messgröße | Betriebszustand | Kate gorie | Meldung |
| zeitliche Änderung Fördermenge [dV/dt] | dV/dt: Langsame Verringerung | Anstieg pneumat. Last. Mögl. Ursachen Filterwiderstand hoch | Pumpe an Leistungsgrenze | A | Warnung: Filterwechsel |
| & | |
| Pumpen-Förderdruck ≥ Sollbereich | Lastanstieg nicht kompensierbar |
| & | |
| Pumpen-Förderdruck [Δp] | Partikel in Messleitung |
| Partikel in Pumpe |
| zeitliche Änderung Fördermenge [dV/dt ] | dV/dt: Sprunghafte Verringerung | Pneumatische abrupt Lastanstieg | Messleitung-Problem, | B | Hinweis: Messleitung prüfen |
| | |
| | Blockade in Messleitung oder Pumpe | z.B. Verstopfung |
| | & |
| & | Pumpen-Förderdruck ≥ Sollbereich |
| Pumpen-Förderdruck [Δp] |
| zeitliche Änderung Fördermenge [dV/dt] | dV/dt: starker Anstieg | Leckage im Saugsystem Parallel zu Ansaugstelle | Messgas verdünnt | B | Warnung: Messung inkorrekt |
| & | & |
| Pumpen-Förderdruck [Δp] | Pumpen-Förderdruck ≤ Sollbereich |
| Kennlinie Drehzahl n, Strom I | Kennlinien:Durch fluss-mengen-Variation dV/dt ± ΔdV/dt, | Verschleiß bzw. Reibung im Motor | Motor-Verschleiß | C | Hinweis: Austausch |
| & |
| Pumpen-Förderdruck [Δp] | |
| Abweichung zum Sollbereich |
| Kennlinie Drehzahl n, Strom I | Kennlinien: Drehzahlvariation Abweichung zum Sollbereich | Verschleiß bzw. Reibung im Motor | Motor-Verschleiß | C | Hinweis: Austausch |
| & |
| Pumpen-Förderdruck [Δp] | |
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Aus den in der Tabelle 2 aufgelisteten Zustandsbewertungen ergeben sich weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zur Überprüfung der Pumpeinrichtung.
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Die Kontrolleinheit ist ausgebildet, in einem weiteren Schritt das Maß für die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung in Kategorien einzuordnen. Die Kategorien dienen einer Einteilung der Betriebszustände der Pumpeinrichtung, oder einer Einteilung der Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung in kritische Situationen, in denen beispielsweise eine Reinigung oder Wartung mit nachfolgender Initialisierung erforderlich ist, sehr kritische Situationen, in denen Teile der Pumpeinrichtung zeitnah getauscht werden müssen, und unkritische Situationen, welches ich beispielsweise im Rahmen der nächsten Wartung bereinigen lassen.
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Die Kategorien sind in der obigen Tabelle 2 beispielhaft in drei Stufen klassifiziert:
| • | unkritische Situation | A |
| • | kritische Situation | B |
| • | sehr kritische Situation | C. |
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In einem weiteren Schritt wird mittels der Kontrolleinheit auf Basis der Kategorien oder auf Basis des Maßes der Funktionsbereitschaft ein Fehlersignal ermittelt wird und das Fehlersignal mittels einer Datenausgabeeinheit als ein Ausgabesignal bereitgestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der, einen ersten Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierende mindestens eine erste Wert und/oder der den mindestens einen weiteren Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierende mindestens eine weitere Wert, durch mindestens einen Messwert oder einen Stellwert aus einer Gruppe von Messwerten oder Stellwerten repräsentiert. Die Gruppe von Messwerten oder Stellwerten umfasst:
- - einen von der Pumpeinrichtung erzeugter Förderdruck,
- - einen Umgebungsluftdruck,
- - eine Umgebungsfeuchtigkeit,
- - eine Umgebungstemperatur,
- - eine von der Pumpeinrichtung geförderte Durchfluss- oder Massendurchflussmenge,
- - eine zeitliche Änderung der von der Pumpeinrichtung geförderten Durchfluss- oder Massendurchflussmenge,
- - eine von der Pumpeinrichtung erzeugte Strömungsgeschwindigkeit,
- - einen von der Pumpe erzeugten Unterdruck
- - eine Drehzahl der Pumpeinrichtung oder eines in der Pumpeinrichtung angeordneten oder der Pumpeinrichtung zugeordneten Pumpenmotors,
- - einen elektrischer Betriebsstrom des Pumpenmotors,
- - eine elektrische Betriebsspannung eines in der Pumpeinrichtung angeordneten oder der Pumpeinrichtung zugeordneten Pumpenmotors.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der, einen ersten Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierende mindestens eine erste Wert und/oder der den mindestens einen weiteren Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierende mindestens eine weitere Wert durch mindestens einen Messwert oder einen Stellwert aus einer Gruppe der Messwerte oder Stellwerte durch eine Kombination, oder durch ein Wertepaar mindestens zweier Messwerte oder Stellwerte aus der Gruppe der Messwerte oder Stellwerte repräsentiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden im ersten Betriebszustand von der Kontrolleinheit für weitere, vom einem ersten Betriebspunkt abweichende Betriebspunkte der Pumpeinrichtung charakterisierende Werte erfasst und im Initialisierungsdatensatz abgelegt.
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In einer besonderen Variante dieser bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden im ersten Betriebszustand an unterschiedlichen Betriebspunkten mittels der Kontrolleinheit für unterschiedliche Drehzahlen, charakterisierende Werte erfasst werden und im Initialisierungsdatensatz abgelegt. Damit ist eine Erzeugung einer den ersten Betriebszustand charakterisierenden Datenmenge und deren Ablage in dem Initialisierungsdatensatz, ermöglicht.
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Auf diese Weise werden während der jeweils für weitere Betriebspunkte mit einer abweichenden Drehzahl, insbesondere ein Betriebspunkt mit einer reduzierten und/oder ein Betriebspunkt mit einer erhöhten Drehzahl, Werte für Drehzahl, Förderdruck, geförderte Durchflussmenge, elektrische Stromaufnahme des Pumpenmotors, Luftdruck, Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte erfasst und im Initialisierungsdatensatz abgelegt. Damit ergibt sich für die Werte im Initialisierungsdatensatz ein Sollbereich mit einem zugehörigen Toleranzfeld. Praxisgerecht ergibt sich beispielsweise eine Abweichung jeweils im Bereich von 3% - 10% für die reduzierte und die erhöhte Drehzahl.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Kontrolleinheit ausgebildet, im ersten und/oder zweiten Betriebszustand eine Umrechnung mindestens eines der Messwerte oder der Stellwerte aus der Gruppe der Messwerte oder Stellwerte in Messwerte oder Stellwerte, basierend auf standardisierten oder genormten Umgebungsbedingungen, durchzuführen. Dabei werden beispielsweise Temperaturmesswerte, Druckmesswerte, Feuchtigkeitsmesswerte, Durchflussmesswerte auf sogenannte Standardisierte Bedingungen, wie STPD-Bedingungen (STPD = standard temperature, pressure, dry) auf einen Umgebungsdruck von 1013 hPa, 0°C, und einen Wasserdampfpartialdruck p(H2O) von 0 kPa (trocken) bezogen. Eine alternative Normierung ist beispielsweise auch eine Normierung auf STP-Bedingungen (STP = standard temperature, pressure) gemäß DIN 1343, wobei der Feuchtigkeitsgehalt unberücksichtigt bleibt. Weitere alternative Umrechnungen ergeben sich aus einer Wahl von für den Betrieb des Gasmesssystems, oder der Pumpeinrichtung geeigneten Temperaturen, wie beispielsweise 20° C oder 25 °C und/oder Druckwerte, wie beispielsweise 1113 hPa, um beispielsweise einen Förderdruck in einem bevorzugten Arbeitspunkt (Drehzahl, Motorstrom) der Pumpe mit in die Normierung einzubeziehen.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird der, einen ersten Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierende mindestens eine erste Wert und/oder der den mindestens einen weiteren Betriebszustand der Pumpeinrichtung charakterisierende mindestens eine weitere Wert durch mindestens einen Messwert oder einen Stellwert aus einer Gruppe der folgenden Messwerte oder Stellwerte durch eine Kennlinie, ein Kennlinienfeld oder ein Kennfeld, basierend auf mindestens zwei Messwerten oder Stellwerten aus der Gruppe der Messwerte oder Stellwerte, repräsentiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die zeitliche Änderung der Fördermenge dV/dt als ein Volumenstrom und der zugehörige von der Pumpeinrichtung erzeugte Druck (Unterdruck oder Förderdruck) Δp gemessen. Der von der Pumpe erzeugte Druck stellt dabei als Unterschied im Druck gegenüber dem Druck in der Messumgebung oder am Messort die physikalische Ursache für die Förderung von Gas oder Gasgemisch als Massenstrom oder Volumenstrom dar. Die zeitliche Änderung der Fördermenge dV/dt und der Druck charakterisieren dabei den ersten Betriebszustand und werden von der Kontrolleinheit im ersten Betriebszustand erfasst. Die Kontrolleinheit bestimmt daraus ein Verhältnis Δp zu dV/dt als einen initialen, pneumatischen Widerstandswert Rpi=Δp/[dV/dt] und legt diesen in dem mindestens einen Element zur Datenspeicherung im Initialisierungsdatensatz ab. Im zweiten Betriebszustand wird von der Kontrolleinheit ein weiterer pneumatischer Widerstandswert Rpx bestimmt und in dem mindestens einen Element zur Datenspeicherung im Betriebsdatensatz abgelegt. Anschließend wird von der Kontrolleinheit ein Vergleich der beiden Datensätze mit den die Betriebszustände der Pumpeinrichtung charakterisierenden pneumatischen Widerstandwerten Rpi, Rpx vorgenommen und auf Basis des Vergleichs ein Maß für die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung bestimmt.
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Ergeben sich für den pneumatischen Widerstandwert starke Unterschiede zwischen dem im Initialisierungsdatensatz Rpi und dem Betriebsdatensatz Rpx, so hat sich mindestens eine der Komponenten in dem Gasmesssystem verändert. Sinkt der pneumatische Widerstandwert im zweiten Betriebszustand, d.h. im Betrieb ab, so kann daraus gefolgert werden, dass die Ursache dieses Absinkens des pneumatischen Widerstandwertes auf einer Leckage in dem Gasmesssystem beruht. Diese Leckage kann zu einer starken Verdünnung des Messgases führen und damit eine verlässliche quantitative Erkennung höherer Gaskonzentrationen und/oder eine qualitative Erkennung geringer Gaskonzentrationen erschweren. Damit kann ein Maß für die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung bestimmt werden, welches dann optional als Meldung in Form einer Warnung, wie beispielsweise in der Tabelle 2 angegeben, vor einer inkorrekten Messung mit Messgasverdünnung oder einer Warnung, dass ein Leck oder eine Leckage in oder an der Pumpeinrichtung oder der Messleitung vorliegt, ausgegeben werden.
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Steigt der pneumatische Widerstandwert im Betrieb ab, so kann daraus gefolgert werden, dass die Ursache dieses Anstiegs des pneumatischen Widerstandwertes Rp auf einem Anstieg eines Filterwiderstandes oder einem nahezu vollständigen Verschluss in der Messleitung beruht. Ein langsamer Anstieg des pneumatischen Widerstandes lässt auf einen langsam belegten Filter schließen und eine optionale Meldung in Form eines Hinweises auf einen baldigen erforderlichen Filterwechsel (siehe Tabelle 2) kann gegeben werden.
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Ein nahezu vollständiger Verschluss in der Messleitung oder ein Defekt in oder an der Pumpeinrichtung selbst, kann vorliegen, falls der Anstieg des pneumatischen Widerstandwertes plötzlich oder abrupt erfolgt. Ein solcher Defekt in oder an der Pumpeinrichtung kann durch ein.Manöver im Betrieb überprüft werden und von einem Verschluss in der Messleitung prinzipiell dadurch unterschieden werden, dass bei einer Veränderung des Arbeitspunktes der Pumpe, der pneumatische Widerstandswert bei einem Verschluss in der Messleitung weitgehend konstant bleibt, während eine defekte Pumpe durch unterschiedliche pneumatische Widerstandswerte an unterschiedlichen Arbeitspunkten erkennbar ist. Basierend auf dieser Unterscheidung kann optional eine Meldung (siehe Tabelle 2) in Form eines Hinweises für eine Überprüfung der Messleitung oder eines Hinweises auf einen baldigen erforderlichen Austausch der Pumpeinrichtung ausgegeben werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform werden von der Kontrolleinheit mehrere Messgrößen oder von den Messgrößen abgeleitete Größen miteinander, vorzugsweise in Form einer Kennlinie, oder eines Funktions-Zusammenhangs, miteinander kombiniert ausgewertet und darauf basierend die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung bestimmt und ein Maß für eine Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung ermittelt. Die den ersten und/oder den mindestens einen zweiten Betriebszustand charakterisierenden Werte ergeben sich in dieser weiteren bevorzugten Ausführungsform aus einer Kombination aus mindestens zwei Messgrößen, Stellgrößen oder von der mindestens zwei Messgrößen oder Stellgrößen abgeleiteten Größen. Solche Kombinationen können dabei als Wertepaare, Funktions-Zusammenhänge, Kennlinien, Kennlinienfelder oder Kennfelder definiert oder ausgestaltet sein.
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Beispielsweise sind in der folgenden Tabelle 3 folgende Kombinationen zur Bildung von Betriebszuständen als Ausführungsformen genannt, welche als die Pumpeinrichtung charakterisierende Größen verwendet werden können:
Tabelle3
| von der Pumpe geförderter Volumenstrom [dV/dt] |
| in Kombination mit |
| der Stromaufnahme I des Pumpenmotors |
| Betriebstemperatur der Pumpe |
| in Kombination mit |
| der Stromaufnahme des Pumpenmotors |
| von der Pumpe geförderter Volumenstrom [dV/dt] |
| in Kombination mit |
| der Drehzahl n der Pumpe |
| Variation [ΔdV/dt] des geförderten Volumenstrom [dV/dt] |
| in Kombination mit |
| der Drehzahl n der Pumpe |
| Variation [ΔdV/dt] des geförderten Volumenstrom [dV/dt] |
| in Kombination mit |
| der Stromaufnahme I des Pumpenmotors |
| Variation [ΔdV/dt] des geförderten Volumenstrom [dV/dt] |
| in Kombination mit |
| Der Stromaufnahme I des Pumpenmotors und in Kombination mit |
| der Drehzahl n der Pumpe |
| Variation [Δn] der Drehzahl n der Pumpe |
| in Kombination mit |
| dem von der Pumpe geförderten Volumenstrom [dV/dt] |
| Variation [Δn] der Drehzahl n der Pumpe |
| in Kombination mit |
| der Stromaufnahme I des Pumpenmotors |
| Variation [Δn] der Drehzahl n der Pumpe |
| in Kombination mit |
| dem von der Pumpe geförderten Volumenstrom [dV/dt] |
| und in Kombination mit |
| Der Stromaufnahme I des Pumpenmotors |
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Das ermittelte Maß für die Funktionsbereitschaft kann optional als Meldung in Form eines Hinweises, Warnung oder anderer Art und Weise (siehe Tabelle 2) ausgegeben werden. Als Größen werden in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Pumpendrehzahl n, der Pumpenstrom I oder der pneumatische Widerstand Rp=[Δp/dV/dt] jeweils als Funktionen des Volumenstroms dV/dt ermittelt und bewertet. Hierzu werden von der Kontrolleinheit sogenannte Manöver ausgeführt. Dazu wird im ersten oder im zweiten Betriebszustand von der Kontrolleinheit n, I, Rp bei einem eingestellten dV/dt (Volumenstrom-Arbeitspunkt 2) gemessen. Anschließend werden in einer ersten Variante dieser weiteren bevorzugten Ausführungsform mittels des Manövers die Größen n, I, Rp bei einem um einen Volumenstromunterschied [ΔdV/dt] abgesenkten Volumenstrom (Volumenstrom- Arbeitspunkt 1) und bei einem um einen Volumenstromunterschied ΔdV/dt erhöhten Volumenstrom (Volumenstrom-Arbeitspunkt 3) gemessen und bewertet. Typischerweise ergeben sich für die Größen n und I im Wesentlichen lineare Veränderungen bei Betrachtung der drei Volumenstrom-Arbeitspunkte ([dV/dt - ΔdV/dt], dV/dt, [dV/dt + ΔdV/dt]). Der Wert für den pneumatischen Widerstand bleibt im fehlerfreien Fall an allen drei Volumenstrom- Arbeitspunkten nahezu konstant. Die Kontrolleinheit führt dieses Manöver mit den drei Volumenstrom-Arbeitspunkten im ersten, sowie im zweiten Betriebszustand, d.h. im Betrieb der Pumpeinrichtung durch und wertet die Ergebnisse aus. Bleibt der pneumatische Widerstand als Funktion des Volumenstroms dV/dt nicht konstant, bzw., weisen die Pumpendrehzahl n oder der Pumpenstrom I kein lineares Verhalten als Funktion des Volumenstroms auf, so kann auf einen Defekt im Pumpensystem, beispielsweise auf einen Motor-Verschleiß gefolgert werden.
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In einer alternativen Variante dieser weiteren bevorzugten Ausführungsform wird von der Kontrolleinheit im ersten oder im zweiten Betriebszustand n, I, Rp, dV/dt bei einer eingestellten Drehzahl n (Drehzahl-Arbeitspunkt 2) gemessen und anschließend mittels eines weiteren Manövers eine Variation an weiteren zwei Drehzahl-Arbeitspunkten zur Erfassung von n, I, Rp, dV/dt bei einem um eine Drehzahlabweichung Δn verminderte Drehzahl (Drehzahl-Arbeitspunkt 1) und bei einer um die Drehzahlabweichung Δn erhöhten Drehzahl (Drehzahl-Arbeitspunkt 3) gemessen und bewertet. Typischerweise ergeben sich zwischen den Größen n und I im Wesentlichen lineare Veränderungen zueinander bei Betrachtung der drei Drehzahl-Arbeitspunkte (n - Δn, n, n + Δn). Der Wert für den pneumatischen Widerstand Rp bleibt im fehlerfreien Fall an allen drei Drehzahl-Arbeitspunkten nahezu konstant. Die Kontrolleinheit führt diese Manöver zur Ermittlung von n, I, Rp, dV/dt, mit den drei Drehzahl-Arbeitspunkten im ersten und/oder im zweiten Betriebszustand, d.h. im Betrieb der Pumpeinrichtung durch und wertet die Ergebnisse aus. Bleibt der pneumatische Widerstand Rp als Funktion der Drehzahl n nicht konstant, bzw., die Pumpendrehzahl n oder der Pumpenstrom I weisen kein lineares Verhalten zueinander auf, so kann auf einen Defekt im Pumpensystem, beispielsweise auf einen Motor-Verschleiß gefolgert werden. Basierend auf dieser Auswertung bestimmt die Kontrolleinheit in dieser weiteren bevorzugten Ausführungsform mit Ausgestaltung in den zuvor beschriebenen zwei Alternativen zur Kennlinienauswertung das Maß für die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung. Das Maß für die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung kann optional eine Meldung (siehe Tabelle 2) in Form einer Warnung für einen Austausch der Pumpe oder der Pumpeinrichtung ausgegeben werden.
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Zusammenfassend ergibt sich damit als wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass die Funktionalität der Pumpeinrichtung im Betrieb der Pumpeinrichtung als Teil des Gasmesssystems regelmäßig überprüfbar ist und damit die Funktionsbereitschaft des Gasmesssystems insgesamt fortlaufend über einen langen Betriebszeitraum überwacht und sichergestellt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird mit Hilfe folgender Figuren und den zugehörigen Figurenbeschreibungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens in einer gemeinsamen Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer oder vereinfachter Darstellung:
- 1 eine Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem,
- 2 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Überprüfung einer Pumpeinrichtung in einem Gasmesssystem.
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Die 1 zeigt ein Gasmesssystem 1. Das Gasmesssystem 1 besteht jeweils aus Gasmessvorrichtung 3, einem Auswertesystem 7 und einer Pumpeinrichtung 9, wobei die Pumpeinrichtung 9 mit dem Auswertesystem 7 und mit der Gasmessvorrichtung 3 mittels einer Datenschnittstelle oder Datenausgabeeinheit 93 über Datenleitungen 19, 21 verbunden ist. Das Auswertesystem 7 befindet sich beispielsweise in einem Einsatz zu einer Überwachung von Gaskonzentrationen oder anderen Umweltmesswerten, in einer industriellen, chemischen, petrochemischen oder bergbautechnischen Einrichtung. Dabei steht die in der 1 gezeigte Gasmessvorrichtung 3 exemplarisch für eine Vielzahl von Gasmessvorrichtungen 3 an verschiedenen Orten, welche gemeinsam ein vernetztes System zur Überwachung von Umweltsituationen in der industriellen, chemischen, petrochemischen oder bergbautechnischen Einrichtung darstellen und gemeinsam auf dem Auswertesystem 7 zusammengefasst, koordiniert, angezeigt, ausgewertet oder zu einer weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden können.
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Die Gasmessvorrichtung 3 weist einen Sensor 5 auf, mit dem Gaskonzentrationen aus der näheren Umgebung der Gasmessvorrichtung 3 erfasst werden können. Die erfassten Gaskonzentrationen werden von einer Elektronikeinheit 4 in Datensignale gewandelt und über Datenverbindungen 21 nach außen bereitgestellt.
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An der Pumpeinrichtung 9 sind eine Datenausgabeeinheit 93, ein Gaseinlass 12 für Prüfgas, Nullungsgas oder Messgas, sowie eine Gaszuführungsleitung 18 zur Zuführung von Gas von der Pumpeinrichtung 9 zur Gasmessvorrichtung 3 vorgesehen. In der Ausgestaltung nach der 1 wird an dem ersten Gaseinlass 12 eine Menge an Gas aus einer Messumgebung 39 von einer Pumpe 37 mit einem in dieser 1 nicht gezeigten Pumpenmotor angesaugt und über die Gaszuführungsleitung 18 zum Sensor 5 in die Gasmessvorrichtung 3 gefördert. Über die Datenverbindungen 19, 21 werden Messdaten von der Gasmessvorrichtung 3 zum Auswertesystem 7 übermittelt.
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Die Datenverbindungen 19, 21 sind beispielsweise als RS232, RS485, Spannungsschnittstellen (0.... 10 V) oder Stromschnittstellen (4...20 mA, 0.. 20 mA) ausgestaltet. In der Pumpeinrichtung 9 ist eine Kontrolleinheit 91 vorhanden, beispielsweise in einer Ausgestaltung als programmierbares oder speicherprogrammierbares Element (µP, µC, SPS,) mit zugehörigen Datenspeicher 92 (RAM, SD-Card), welche die Kontrolle der Pumpe 37 mittels Steuersignalen, beispielsweise als Steuerung oder Regelung nach einer Drehzahl/Druckkennlinie bewirkt. Als Sensorik ist in oder an der Pumpeinrichtung 9 ein Drucksensor 36 zur Erfassung des von der Pumpe 37 erzeugten Förderdrucks, ein Durchflusssensor 35 zur Erfassung der von der Pumpe 37 erzeugten Fördermenge, ein Pumpen-Temperatursensor 31 zur Erfassung der Temperatur der Pumpe 37 oder des Pumpenmotors, ein Umgebungstemperatursensor 34 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur der Messumgebung 39, ein Umgebungsdrucksensor 38 zur Erfassung eines Luftdrucks der Messumgebung 39, ein Stromsensor 32 zur Erfassung eines elektrischen Betriebsstromes der Pumpe 37 oder des Pumpenmotors, ein Spannungssensor 33 zur Erfassung einer elektrischen Betriebsspannung der Pumpe 37 oder des Pumpenmotors, vorgesehen. Der Umgebungstemperatursensor 34 kann in einer besonderen Ausgestaltung auch als eine kombinierter Sensor zur Erfassung der Temperatur und er der Feuchtigkeit der Messumgebung 39 ausgestaltet sein. Als Stellgröße steht der Kontrolleinheit eine Drehzahl n der Pumpe 37 oder des Pumpenmotors zur Verfügung, welche beispielsweise mittelbar über den elektrischen Betriebsstrom I der Pumpe 37 oder des Pumpenmotors auf Basis einer Strom- oder Drehzahl/Druckkennlinie zur Verfügung steht, oder von einem in der Pumpeinrichtung 9 angeordneten Drehzahlsensor 30 zur Erfassung einer Drehzahl der Pumpe 37 oder des Pumpenmotors bereitgestellt wird. Die Sensorik 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 38 wirkt in Verbindung mit der Kontrolleinheit 91 bei der Kontrolle (Steuerung/Regelung), Überwachung von Betriebszuständen der Pumpeinrichtung 9 und Überprüfung der Pumpeinrichtung 9, insbesondere der Pumpe 37, bzw. des Pumpenmotors durch eine Bereitstellung von Messwerten mit.
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Die 2 zeigt einen schematischen Ablauf 400 des Verfahrens zur Überprüfung einer Pumpeinrichtung 9 (1) in einem Gasmesssystem 1 (1) mit Gasmessvorrichtung 3, Auswertesystem 7 (1) und Kontrolleinheit 91 ( 1). Gleiche Komponenten in der Figur 1und in der 2 sind in der 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wie in der 1. Die Kontrolleinheit 91 (1), z.B. ausgestaltet als Prozessoreinheit (µP, µC) ermöglicht in Verbindung mit einem Datenspeicher 92 (1) eine Umsetzung des schematischen Ablaufs 400. Bei Inbetriebnahme (START) 60 der Pumpeinrichtung 9 (1) ermittelt die Kontrolleinheit 91 (1) in einem ersten Betriebszustand 61 in einem ersten Schritt 611 aus den Werten der in der 1 dargestellten Sensorik 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 38 mindestens einen ersten Wert 401, der einen ersten Betriebszustand der Pumpeinrichtung 9 (1) charakterisiert und legt diesen mindestens einen Wert 401 als Initialisierungsdatensatz 410 im Datenspeicher 92 (1), beispielsweise tabellarisch 401' oder als Kennlinie 401"ab. In einem auf den ersten Betriebszustand 61 folgenden weiteren, zweiten Betriebszustand 63 ermittelt die Kontrolleinheit 91 (1) in einem zweiten Schritt 632 aus den Werten der in der 1 dargestellten Sensorik 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 38 einen weiteren, Wert 402, 402', 402", der einen weiteren Betriebszustand der Pumpeinrichtung 9 (1) charakterisiert und legt diesen weiteren Wert 402, 402', 402" als Betriebsdatensatz 420 ebenfalls im Datenspeicher 92 (1) ab.
In einem dritten Schritt 633 vergleicht die Kontrolleinheit 91 (1) mittels der Prozessoreinheit 91 den ersten abgespeicherten Wert 401 , 401', 401" mit dem weiteren, zweiten abgespeicherten Wert 402, 402', 402" aus dem Datenspeicher 92 (1) und ermittelt auf Basis des Vergleichs in einem vierten Schritt 634 ein Maß 403 für eine Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung 9 (1) und stellt dieses Maß 403 vorzugsweise in einem optionalen fünften Schritt 635 als ein Fehlersignal 80, beispielsweise mittels einer Datenausgabeeinheit 93 (1) als ein Ausgabesignal bereit. Damit ist der Ablauf 400 am Ende (STOPP) 89 angekommen. In einer optionalen Variante ist vorgesehen, nach Beendigung 89 des Ablaufs 400, den Ablauf 400 im weiteren, zweiten Betriebszustand 63 zu wiederholen und im zeitlichen Verlauf wiederholt weitere Betriebsdatensätze 420 zu erfassen und das Maß 403 für die Funktionsbereitschaft der Pumpeinrichtung 9 (1) wiederholt und regelmäßig zu bestimmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasmesssystem
- 3
- Gasmessvorrichtung
- 4
- Elektronikeinheit
- 5
- Gassensor
- 7
- Auswertesystem
- 9
- Pumpeinrichtung
- 12
- Erster Gaseinlass für Prüfgas, Nullungsgas oder Messgas
- 17
- Daten- Ein-/Ausgangsmodule (I/O-Module)
- 18
- Gaszuführungsleitung
- 19, 21
- Datenverbindung, Datensignal
- 23
- Energieversorgungsleitung
- 30
- Drehzahlsensor
- 31
- Pumpen-Temperatursensor
- 32
- Stromsensor
- 33
- Spannungssensor
- 34
- Sensor für Umgebungstemperatursensor und/ oder, Umgebungsfeuchtigkeit
- 35
- Durchflusssensor
- 36
- Drucksensor, Förderdruck
- 37
- Pumpe
- 38
- Umgebungsdrucksensor
- 39
- Umgebung, Messumgebung (Luft)
- 60
- START
- 61
- Erster Betriebszustand
- 63
- Weiterer/ Zweiter Betriebszustand
- 80
- Fehlersignal, Ausgabesignal
- 89
- STOPP
- 91
- Kontrolleinheit
- 92
- Datenspeicher
- 93
- Datenschnittstelle/ Datenausgabeeinheit
- 400
- Ablauf
- 401, 401', 401"
- Erster Wert
- 402, 402', 402"
- Zweiter Wert
- 403
- Maß für eine Funktionsbereitschaft
- 410
- Initialisierungsdatensatz
- 420
- Betriebsdatensatz
- 611
- Erster Schritt
- 632
- Zweiter Schritt
- 633
- Dritter Schritt
