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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einheit zur Diagnose von Membranen in Ventilen oder Pumpen.
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Die Überwachung oder Diagnose von Membranen in Ventilen und Pumpen ist insbesondere in kritischen Bereichen der sterilen Verfahrenstechnik ein deutlicher Schwerpunkt, dem im Wesentlichen durch vorsorgende Maßnahmen begegnet wird, da fortlaufend gemessene Zustandsgrößen weitestgehend nicht verfügbar sind. Messungen während des laufenden Betriebes sind teilweise nur schwer möglich. Anlagen müssen oft in allen Details steril reinigbar aufgebaut sein, weshalb übliche elektrische Stecker Anordnungen ungünstig sind.
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In der
DE 10 2015 210 204 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auslesen und Sammeln von Daten aus einer Membran beschrieben.
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Die
DE 10 1015 210 210 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Membranventils.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Erfassung von Zustandsgrößen einer Membran für Ventile und Pumpen zu schaffen, bei der ein mindestens Sensor zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße und eine Übermittlung zu einem externen Erfassungsmittel vorgesehen sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Vorrichtung zur Diagnose einer Membran eines Membranventils oder einer Membranpumpe umfasst ein erstes Bauteil, bestehend aus einer in einem Gehäuse vorgesehenen Membran, wobei ein Teil der Membran aus dem Gehäuse herausragt, und ein zweites Bauteil, bestehend aus einem Datenerfassungsgerät, wobei in der Membran mindestens ein Sensor zur Erfassung von Betriebsparametern vorgesehen ist, wobei zwischen der Membran und dem Datenerfassungsgerät ein Übertrager vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass das erste und das zweite Bauteil voneinander galvanisch und körperlich getrennt sind, wodurch sie jeweils einfach, universell und kostengünstig konstruierbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Membran mindestens eine mechanische Verstärkungsstruktur vorgesehen, wobei die mindestens eine mechanische Verstärkungsstruktur aus elektrisch leitfähigem Material ausgeführt sein kann. Dies verringert einerseits die mechanische Belastung der Membran durch die Verstärkungsstruktur, andererseits ist eine elektrisch leitfähige Struktur durch elektromagnetische Signale nutzbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verstärkung die Gestalt oder sonstige Eigenschaften eines Sensors auf. Vorteilhaft ist dabei, dass sich Zustandsgrößen direkt in der Membran ermitteln lassen. Beispielsweise lassen sich Temperatur oder Dehnung der Membran anhand sich verändernder Widerstände in der elektrisch leitfähigen Struktur ermitteln. Weiter ist die Zusammensetzung der Membran beispielsweise anhand der durch die elektrisch leitfähige Struktur messbaren Kapazität ermittelbar. Insbesondere lassen sich in die Membran eindringende Flüssigkeiten detektieren, was Rückschlüsse auf eventuelle Rissbildung auch auf kleinskaliger Ebene ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die mindestens eine Verstärkungsstruktur in dem aus dem Gehäuse ragenden Teil der Membran zu mindestens einer Spule geformt, wobei im Zentrum der mindestens einen Spule eine Öffnung vorgesehen ist. Dies ermöglicht ein vollständiges integrieren der Verstärkungsstruktur und der Spule in das elastomere Material der Membran. Dies schützt vor äußeren Einflüssen und macht die Membran einfach und sicher reinigbar. Weiter ist es nicht notwendig, innerhalb der Membran elektronische Bauteile zu verwenden. Diese ist insbesondere im Hinblick auf die Entsorgung verbrauchter Membranen besonders vorteilhaft, da die Membran einfach recycelt werden kann. Eventuell kann die Verstärkungsstruktur bei der Herstellung der Membran mit einer Trennschicht versehen sein, so dass diese beim Recyceln einfach aus der teilweise zerstückelten Membran entfernbar wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in die Öffnung ein magnetischer Kern einführbar, insbesondere ein Schenkel eines Eisenkreises. Auf einem weiteren Schenkel eines Eisenkreises ist mindestens eine Spule des Datenerfassungsgeräts vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass die Ausgestaltung der Schnittstelle als Übertrager den Vorteil bietet, dass zwischen dem externen Datenerfassungsgerät und dem mindestens einen Sensor im Innern der Membran ein Austausch mittels kontinuierlicher oder gepulster Signale in unterschiedlichen Frequenzbereichen stattfinden kann.
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Mittels kurzer Pulse aus dem Datenerfassungsgerät in die Spule eingeprägt lässt sich beispielsweise die Laufzeit und die Signalform des in der Membran reflektierten Signals ermitteln. Anhand dieser können Rückschlüsse gezogen werden zum Wasser oder Fluidgehalt in der Membran, insbesondere also ob sich dort Mikrorisse befinden und ein Auswechseln der Membran notwendig ist.
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Wird von außen dauerhaft ein Strom eingeprägt, so kann die Membran beispielsweise beheizt werden. Parallel angeordnete Verstärkungsstrukturen ermöglichen beispielsweise ein Aufheizen der Membran bei gleichzeitiger Ermittlung der Antwort des Systems. Wenn also viel Energie in die Membran geleitet wird, ein Sensor jedoch kaum eine Temperaurerhöhung ermittelt, kann beispielsweise rückgeschlossen werden, dass das Fluid die Energie aufnimmt, also entsprechend kalt ist.
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Positionen oder Verformungen in der Membran, wie sie bei einem Membranventil oder einer Membranpumpe regelmäßig vorkommen, lassen sich anhand der unterschiedlichen Interaktionen einzelner Wicklungsgänge in der Verstärkungsstruktur ermitteln. Bei einer spiralförmigen Anordnung der Verstärkungsstruktur wird es immer eine Wechselwirkung benachbarter Leiterbahnen geben. Diese werden auf ein elektromagnetisches Wechselfeld je nach ihrer Position unterschiedlich reagieren. Messtechnisch ist es mit zeitgenössischen Methoden durchaus möglich derartige Unterschiede festzustellen. Insbesondere ist hierbei vorteilhaft, dass die Auswerteelektronik nicht innerhalb der Membran vorgesehen ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung bestehend aus einem Schenkel des Eisenkreises, der in die Öffnung einführbar ist und dem Datenerfassungsgerät lösbar an dem aus dem Gehäuse herausragenden Teil der Membran befestigbar. Dies ermöglicht beispielsweise das Datenerfassungsgerät an unterschiedlichen Membranen parallel einzusetzen. Es können auch unterschiedliche Datenerfassungsgeräte an einer Membran zum Einsatz kommen, wobei die Datenerfassungsgeräte beispielsweise unterschiedliche Messungen ermöglichen.
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Weiter ist es sehr einfach, das Datenerfassungsgerät von einer verbrauchten Membran zu entfernen, wobei die Entsorgung vereinfacht ist, da in der Membran keine Elektronikbauteile vorhanden sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung hinterschneidungsfrei an der Membran befestigbar. Dies hat den Vorteil, dass die Anlage, in der die Membran eingesetzt einfach reinigbar ist.
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Des Weiteren ist geschützt ein Verfahren zur Erfassung von Betriebsparametern einer Membran eines Membranventils oder einer Membranpumpe mittels der beschriebenen Vorrichtung, wobei in einem ersten Schritt das Datenerfassungsgerät an dem aus dem Gehäuse herausragenden Teil der Membran befestigt wird, in einem zweiten Schritt eine Energieübertagung von dem Datenerfassungsgerät in die Membran stattfindet, wobei mittels der übertragenen Energie mindestens Sensor aktiviert und eine Messung ausgeführt wird, in einem dritten Schritt die Messdaten mittels Übertrager auf das Datenerfassungsgerät übertragen werden. Dies hat den Vorteil, dass die Kommunikation mittels Übertrager sehr direkt ist. Es sind kaum Einschränkungen bei den übertragenen elektromagnetischen Leistungen hinzunehmen, die Übertragung läuft sehr verlustfrei, der Energiefluss ist umkehrbar, so kann Energie von dem Datenerfassungsgerät in die Membran eingeprägt werden und seriell oder parallel ein Antwortsignal aus der Membran ausgelesen werden. Als Signale eignen sich elektromagnetische Signale unterschiedlicher Frequenzen. Die Membran ist galvanisch von dem Datenerfassungsgerät entkoppelt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden elektromagnetische Hochfrequenzpulse in mindestens einen Sensor eingeprägt und die reflektierten Signale mit dem Datenerfassungsgerät erfasst. Voraussetzung hierfür ist die Anordnung der Verstärkungsstruktur in der Membran. Es kann beispielsweise eine Leiterbahn vorgesehen sein, die spiralförmig durch die Membran verläuft, wobei entweder ein geschlossener Kreis derart verlegt ist, dass zwei parallele Bahnen für die Hin- bzw. Rückleitung vorgesehen sind, wobei diese im Zentrum der Membran miteinander verbunden sind. Alternativ kann eine spiralförmige Leiterbahn vorgesehen sein, deren eines Ende mit der außen liegenden Spule verbunden ist und deren anderes Ende im Zentrum der Membran liegt. Auf dieser Leiterbahn kann ein Signal transportiert und reflektiert werden. Weiter können Leiterbahnen der Verstärkungsstruktur auch in mehreren Ebenen in der Membran angeordnet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden elektromagnetische Dauersignale in mindestens einen Sensor eingeprägt und gleichzeitig reflektierte Signale aus mindestens einem anderen Sensor erfasst. Dies ermöglicht kontinuierliche Beeinflussung und Messung der Parameter.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass in der Membran keine eigene Energiequelle benötigt wird. Die Membran kann einfach und kostengünstig hergestellt werden, die Erfassung von Zustandsgrößen ist einfach, schnell und sicher durchführbar. Insbesondere ist die Sicherheit bei einer derartigen Übertragerkommunikation erhöht, da keine weitreichenden Funksignale verwendet werden.
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Durch die drahtlose Übertragung von Energie und Informationen werden keine Kabelverbindung und kein Stecksystem benötigt. Daher muss dieses auch nicht entsprechend der Anforderungen des Einsatzbereiches ausgeführt werden. Weiterhin entsteht beim Membranwechsel keine erhöhter Aufwand durch das Anstecken der Membran an die Auswerteeinheit.
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Je nach Anwendungsfall kann entschieden werden ob die Membran kontinuierlich oder intervallbasiert überwacht werden soll. Die kontinuierliche Überwachung eignet sich für kritische und hochbelastete Geräte. Die intervallbasierte Überwachung kann mit einem mobilen Handgerät erfolgen. In diesem Fall wird die Auswerteeinheit nur einmalig benötigt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 eine Membran mit erfindungsgemäßer Datenübertragungsvorrichtung,
- 2 eine Ausführungsform zur Anwendung der erfindungsgemäßen Datenübertragung.
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1 zeigt eine Membran 1, wie sie beispielsweise in einem Membranventil zur Anwendung kommt. Die Membran 1 verfügt über einen sogenannten Lappen 2 und eine Schraube 3. Bei der dargestellten Membran liegt eine spezielle Form vor, die durch eine Kammerung 4 für zusätzliche Vorteile sorgt. In den 1b und 1c ist diese Kammerung 4 an der entsprechenden Stufe in der Membran 1 zu erkennen.
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Die Membran 1 wird in einem Ventilgehäuse befestigt und durch einen an der Schraube 3 befestigten Aktor bewegt, wodurch sich das Ventil öffnen oder schließen lässt.
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In einer erfindungsgemäßen Membran 1 ist eine Verstärkungsstruktur in Form einer Spule aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen, die als Sensor 5 zur Erfassung von Zustandsgrößen auf der Fluidseite der Membran geeignet ist. Dieser Sensor 5 kann direkt durch ein externes elektromagnetisches Wechselfeld angesprochen werden, indem Wechselwirkungen eines von außen angelegten Feldes mit dem Sensor ausgewertet werden.
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Die 1 zeigt weiter eine zusätzliche Kontaktspule 6, die vorzugsweise im Lappen 2 angeordnet ist. Im Innern dieser Kontaktspule 6 befindet sich eine Ausnehmung 7, in die ein Trafokern eingeführt werden kann. Dieser Trafokern besteht beispielsweise aus einem Eisenkreis, der die elektromagnetische Kopplung zu der Kontaktspule 6 ermöglicht. Diese Schnittstelle kann die Wechselwirkung eines angelegten äußeren elektromagnetischen Feldes mit der Sensorspule 5 stark verbessern, insbesondere wenn die Membran in der Anwendung im Ventilgehäuse elektromagnetisch abgeschirmt ist.
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Die Ausgestaltung des Eisenkreises ist gemäß der Vorgaben, die allgemein an Übertrager gemacht werden auszurichten. So können Blechpakete unterschiedlicher Konfiguration eingesetzt werden, ebenso sind unterschiedliche Wicklungen möglich. Die hier dargestellte flache Wicklung der Kontaktspule 6 ist dem laminaren Aufbau der Membran geschuldet, es sind ebenfalls auch tonnenförmige Kontaktspulen vorsehbar.
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Die 2 zeigt eine Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnose einer Membran 1 mit einem Lappen 2, wie sie in einem Membranventil mit Kammerung 4 eingesetzt wird. Der Sensor 5 stellt die Verstärkungsstruktur der Membran dar und ist als Spule ausgeführt. Im dargestellten Beispiel laufen die elektrisch leitfähigen Bahnen durch die Stufe der Kammerung 4 in den Lappen 2, wo sie eine tonnenförmige Kontaktspule 6 ausbilden. Durch die Ausnehmung 7 verläuft ein Schenkel des Eisenkreises 8. Dieser ist als geschlossener Kreis ausgebildet, dessen Joch 9 sich an einem Drehgelenk 10 öffnen lässt. Hierdurch ist es möglich, den Eisenkreis beliebig mit der Kontaktspule 6 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Kontakt zu bringen. Am zweiten Schenkel 11 des Eisenkreises ist ein Datenerfassungsgerät 12 vorgesehen. Dieses ist ebenfalls mit mindestens einer nicht dargestellten Kontaktspule um den zweiten Schenkel 11 versehen. Das Datenerfassungsgerät kann eine Stromversorgung, Anregungsmittel zur Speisung des Sensors 5 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eine sensible Empfangsvorrichtung und/oder Analysemittel zur Auswertung von verschiedenen Sensorsignalen umfassen. Ebenso kann das Datenerfassungsgerät 12 eine Anzeige 13 und/oder Kommunikationsmittel zum Austausch oder zur Weiterleitung von Messdaten an weitere Anlagenkomponenten enthalten.
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Durch das Datenerfassungsgerät 12 wird prinzipiell elektromagnetisch Energie auf die Kontaktspule 6 in der Membran 1 übertragen. Diese liefert die Voraussetzung für eine Messung mindestens einer Zustandsgröße in der Membran 1, die wiederum durch ein Antwortsignal an das Datenerfassungsgerät 12 zurückgesendet wird. Dort wird das empfangene Signal ausgewertet und der Wert der entsprechenden Zustandsgröße beispielsweise auf der Anzeigeeinheit 13 ausgegeben.
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Das Datenerfassungsgerät 12 kann an der Membran 1 zur präzisen Einzelmessung angebracht werden, oder es wird dauerhaft an der Membran befestigt. Die Flexibilität ist durch die einfache Handhabung mittels des am Drehgelenk zu öffnenden Eisenkreises ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membran
- 2
- Lappen
- 3
- Schraube
- 4
- Kammerung
- 5
- Sensor
- 6
- Kontaktspule
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Eisenkreis
- 9
- Joch
- 10
- Drehgelenk
- 11
- Schenkel
- 12
- Datenerfassungsgerät
- 13
- Anzeige
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015210204 A1 [0003]
- DE 101015210210 A1 [0004]
- DE 102015210208 A1 [0005]
