DE102018218126A1

DE102018218126A1 - Spektroskopische Messung von Fluiden bei Schiffen

Info

Publication number: DE102018218126A1
Application number: DE102018218126.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Michael Gigler; Thorben Kriews
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Die Erfindung gibt eine Anordnung zur in-line Überwachung von Fluiden in der Schifffahrt mit einer Antriebsgondel (1), einem teilweise in der Antriebsgondel angeordnetem Fluid und einer spektroskopische Messvorrichtung (2) an.Außerdem gibt die Erfindung ein Schiff mit einer erfindungsgemäßen Anordnung an.Die Erfindung gibt auch ein zugehöriges Verfahren zur Ermittlung von spektroskopischen Messwerten eines zumindest teilweise in der Antriebsgondel (1) angeordneten Fluids an.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur in-line Überwachung von Fluiden in der Schifffahrt, ein Schiff mit einer derartigen Anordnung sowie ein automatisiertes Verfahren zur Überwachung eines Fluids.
Beschreibung des Stands der Technik
Die Vorhersage von zukünftig auftretenden Fehlern oder die Bewertung von bereits aufgetretenen Fehlerbildern an einem technischen Gerät, einer technischen Anlage oder einem Motor anhand einer analytischen Betrachtung technischer Fluide, deren Eigenschaften sich beispielsweise durch Alterung bzw. infolge von Fehlern ändern, ist verfahrenstechnisch aufwändig und zumeist nicht für eine kontinuierliche Überwachung des Geräts oder der Anlage geeignet. Insbesondere die Überwachung von technischen Fluiden bei Schiffen ist eine wichtige Aufgabe.
Ein Pod-Antrieb oder auch Antriebsgondel genannt, ist ein Elektromotor, der unterhalb eines Schiffes in einer Gondel platziert ist und die Propeller zum Schiffsantrieb direkt antreibt (siehe beispielsweise Offenlegungsschrift DE 10 2016 214 026 A1 ). Von Interesse beim Pod-Antrieb ist beispielsweise eine Messung der Viskosität, der Partikelart und -anzahl und der Additive in Fluiden des Motors sowie die Art und Sorte des Fluids, da diese Parameter den Verschleiß, den Wärmetransport, die Lebensdauer und die Sauberkeit des Systems beeinflussen. Beispiele für Fluide sind (Schmier-)Öle, (Kühl-)Wasser, Treibstoffe und Luft.
In einzelnen Fällen sind derartige Messungen in-/on-line mit hohem technischen und finanziellen Aufwand möglich, aber kaum praktikabel. Laboranalysen werden auf Grund des Kostendrucks auf ein Minimum reduziert, wodurch zeitlich große Lücken in der Beobachtung entstehen. Daher ist dies ein zusätzlicher Aufwand, es können keine kontinuierlichen Trends analysiert werden und sprunghafte Veränderungen (sind nicht detektierbar. Zum Beispiel können sprunghafte Veränderungen durch spontanes Versagen von Bauteilen, Eindringen von außen, Lösen von Ablagerungen oder Vermischung auftreten.
Die Früherkennung von Veränderungen ist vorteilhaft zur Vermeidung größerer Folgeschäden sowie der Minimierung von Ausfallzeiten und Instandsetzungskosten. Das erfordert den Einsatz einer kostengünstigen, dezentralen Analytik und Interpretation der Messwerte an einem technischen Gerät, einer technischen Anlage oder einem Motor auf Basis eines Online-Monitorings voraus. Problematisch ist dabei, dass kostengünstigere Analysesysteme in der Regel mit einer geringeren Leistungsfähigkeit, z.B. schlechterer S/N-Abstände, geringere spektrale Auflösung, etc., aufwarten und damit als Einzelgerät eine Labormesstechnik nicht ersetzen können.
Eine entscheidende Voraussetzung für Online-Monitorsysteme sind daher geringe Kosten der eingesetzten Messtechnik, eine für die Applikation ausreichende Genauigkeit und eine hohe Robustheit.
Nach Stand der Technik ist eine verbreitete Methode zur Charakterisierung von zum Beispiel Ölen im Servicebereich die Gas-in-Öl-Analyse (Dissolved Gas Analysis - DGA) in zentralen Messlaboren mittels einer High-End-Messtechnik (z.B. Gaschromatographie, FTIR) sowie der Abgleich der Farbe der Flüssigkeit. Dazu ist es vorab notwendig, im Rahmen von Servicearbeiten entsprechende Ölproben zu entnehmen und einem Zentrallabor zuzustellen. Die ermittelten Analyseergebnisse müssen durch erfahrene Experten bewertet und daraus Entscheidungen abgeleitet werden. Über diesen Ansatz wird stets nur eine Momentaufnahme zum Zeitpunkt der Probenentnahme erhalten. Eine häufige Überwachung, wie sie z.B. für Trendanalysen notwendig wäre, ist im Rahmen einer zentral ausgeführten Analytik nicht möglich oder zu teuer und zu aufwändig.
Eine weitere Möglichkeit stellt die Messung einzelner Parameter mit hochspezialisierten Sensoren dar.
Dezentrale Analysesysteme nach Stand der Technik basieren z.B. auf spektroskopischen Messungen in Gasen (im Regelfall NDIR = non-dispersive Infrared) in Kombination mit einem Headspace-Sampler zur Extraktion der Fehlergase des Transformatoröls. Dieser bekannte Ansatz ermöglicht prinzipiell eine Online-Messung der Konzentrationen einzelner Fehlergase vor Ort, benötigt aber gleichermaßen die Interpretation der Ergebnisse und Ableitung von Maßnahmen durch entsprechendes Fachpersonal und ist damit als Online-Monitorsystem nur bedingt einsetzbar. Weiterhin stellt die Extraktion von Gasen eine zusätzliche Systemkomponente mit entsprechendem Aufwand und Ausfallrisiken dar, weshalb eine direkte Messung der gelösten Gase im Öl zu bevorzugen wäre, für die es aber bislang keine kommerzielle Lösung gibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung für eine verbesserte Messung und Analyse von Veränderungen in technischen Fluiden insbesondere bei elektrischen Pod-Antrieben bzw. bei elektrischen Antrieben in Gondeln anzugeben, die bevorzugt in der Schifffahrt zum Einsatz kommen.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit einer Anordnung zur in-line Überwachung von Fluiden in der Schifffahrt und einem zugehörigen Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Fluid in einer Antriebsgondel durch eine spektroskopische Messvorrichtung vermessen und durch eine Steuer- und Auswerteeinheit analysiert.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur in-line Überwachung von Fluiden in der Schifffahrt. „In-line“ oder auch „on-line“ bedeutet, dass die Überwachung während des Betriebs, ohne dass der Betrieb beeinträchtigt wird, durchgeführt wird. Zusätzlich zur Schifffahrt kann die Erfindung auch in der Luftfahrt Anwendung finden. Die Anordnung weist eine Antriebsgondel (auch Pod-Antrieb, Propellergondel oder Schiffsantriebsaggregat genannt), ein teilweise in der Antriebsgondel angeordnetes Fluid und eine spektroskopische Messvorrichtung, die ausgebildet ist, spektroskopische Messwerte des Fluides zu ermitteln, auf. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Das teilweise in der Antriebsgondel angeordnete Fluid kann zum Beispiel über einen Pumpenkreislauf in die Antriebsgondel und aus der Antriebsgondel heraus befördert werden. Die spektroskopische Messvorrichtung ist vorzugsweise außerhalb der Antriebsgondel, zum Beispiel im Schiffsrumpf angeordnet, kann aber auch in der Antriebsgondel sitzen. Die Anbindung der spektroskopischen Messvorrichtung kann zum Beispiel in Form einer Transmissionsmessung (an einem durchstrahlbaren Ort in der Leitung) als Reflexions- oder Rückstreumessung (hierfür ist zumindest ein Fenster in der Leitung nötig) oder als Messung in „abgeschwächter Totalreflexion“ (attenuated total reflexion, ATR) durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung zusätzliche eine Steuer- und Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, die ermittelten spektroskopischen Messwerte bezüglich mindestens eines vorgebbaren Zielparameters zu analysieren und/oder auszuwerten. Die Steuereinheit steuert zum Beispiel in welchen Intervallen und auf welche Zielparameter die spektroskopischen Messwerte ermittelt werden. Der Zielparameter kann auch „zu untersuchender Parameter“ genannt werden. Die Auswerteeinheit bietet den Vorteil, dass sprunghafte Veränderungen sowie langfristige Trends analysiert und Handlungsempfehlungen abgeleitet werden können. Diese Handlungsempfehlungen können zum Beispiel Wartung, Außerbetriebnahme, vorbereitende Maßnahmen zu größeren Wartungen, Ersatzteilbeschaffung und/oder Beschaffung von neuen Betriebsstoffen sein.
In einer weiteren Ausführung kann der Zielparameter zum Beispiel die Art des Fluids, die Viskosität des Fluids, die chemische Zusammensetzung (Zusatzstoffe, ...) des Fluids, die Partikelart und -anzahl in dem Fluid und/ oder die Additive in dem Fluid sein. Arten von Fluiden können Öle, zum Beispiel Schmieröle, Wasser, zum Beispiel Kühlwasser, Treibstoffe oder Luft sein. Die Messung der genannten Zielparameter hat den Vorteil, dass aus diesen Rückschlüsse auf den Verschleiß, den Wärmetransport, die Lebensdauer und die Sauberkeit des Systems gezogen werden können. Zum Beispiel die in-line Messung von zum Beispiel der Art des Fluids hat den Vorteil, dass bei der Verwendung des falschen Fluides sofort eine Warnung gegeben werden kann.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass in der Antriebsgondel ein Elektromotor angeordnet ist. Dieser kann zum Antrieb der Gondel verwendet werden.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass die spektroskopische Messvorrichtung und die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet sind, um Referenzmesswerte von Referenzproben zu ermitteln und zu analysieren. Durch diese Referenzierung werden systematische Einflüsse, z. B.: eine Alterung der Lichtquelle der spektroskopischen Messvorrichtung oder Veränderungen im optischen Pfad, aus den Daten heraus gerechnet. Die Veränderungen zwischen den beiden Messungen (Referenzprobe und Fluids in der Antriebsgondel) gehen somit nur noch auf eine Veränderung in dem Fluid in der Antriebsgondel und nicht des Messsystems zurück.
Veränderungen des Fluids in der Antriebsgondel können ferner durch die Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der Spektren der spektroskopischen Messung ermittelt werden. Ein Schwachpunkt ist hierbei allerdings, dass die Veränderungen auf Grund der zuvor beschriebenen typischerweise langsamen systematischen Einflüsse eventuell diese Effekte überwiegen, (teilweise) kompensieren und/oder überlagern können. Was trotz eines solchen Signaldrifts allerdings detektierbar ist, sind spontane Veränderungen im Spektrum, da diese klar aus den graduellen Änderungen hervortreten. Durch eine turnusmäßige Nullung des Systems durch Messen einer Referenzprobe kann dieser Effekt ebenfalls aufgedeckt werden.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, die ermittelten spektroskopischen Messwerte mit Werten einer Datenbank in Bezug zu setzen (look-up) und daraus den Zielparameter zu bestimmen.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, die ermittelten spektroskopischen Messwerte mittels multivariater Modelle, statistischer Modellierungen und/oder neuronaler Netze zu analysieren und daraus den Zielparameter zu ermitteln.
Die statistische Modellierung beruht auf dem Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung und physikalischem Messparameter. Z.B. hängt die Viskosität eines Öls direkt mit der Kettenlängenverteilung der Kohlenwasserstoffe zusammen. Multivariate Modelle erlauben das Training eines Vorhersagemodells, das später im Feld (in der Anwendung) direkt aus der spektralen Messung z.B. die Viskosität vorhersagt. Diese Vorhersage erfolgt ohne Abgleich gegen eine Datenbank, d.h. ohne look-up, da hier direkt auf die Korrelation der Absorptionen zu dem Zielparameter hin aufgesetzt wird.
Komplexere Problemstellungen können durch die Verwendung von neuronalen Netzen (typ. CNN, dNN, ...) gelöst werden. Wie bei den statistischen Modellierungen werden auch hier Auswertealgorithmen trainiert, die im Feld dann die direkte Vorhersage des Zielparameters ermöglichen.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung einen Bypass, der ausgebildet ist, das Fluid aus der Antriebsgondel abzuzweigen, wobei die spektroskopische Messvorrichtung ausgebildet ist, die spektroskopischen Messwerte in dem in dem Bypass befindlichen Fluid zu ermitteln. Der Bypass hat den Vorteil eines geringen Rohrquerschnittes, der auch von kleinen Messeinrichtungen vermessen werden kann.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass das Fluid ein Schmiermittel eines Lagers einer Welle des Elektromotors ist.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass das Lager ein Wälzlager ist.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass das Fluid ein Öl ist.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Schiff mit einer erfindungsgemäßen Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsgondel am Rumpf des Schiffes unterhalb der Wasserlinie angeordnet ist.
Außerdem beansprucht die Erfindung ein Verfahren gekennzeichnet durch eine Ermittlung von spektroskopischen Messwerten eines zumindest teilweise in einer Antriebsgondel angeordneten Fluids.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung, dass die ermittelten spektroskopischen Messwerte bezüglich mindestens eines vorgebbaren Zielparameters analysiert und/oder ausgewertet werden.
In einer Weiterbildung beansprucht die Erfindung ein Verfahren mit der erfindungsgemäßen Anordnung.
Figurenliste
Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1: Blockschaltbild einer Anordnung zur spektroskopischen Messung von Fluiden bei Schiffen,
2: Längsschnitt durch eine Antriebsgondel und
3: Blockschaltbild einer Anordnung zur spektroskopischen Messung von Fluiden bei Schiffen mit Bypass.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur spektroskopischen Messung von Fluiden bei Schiffen mit einer Antriebsgondel 1 (auch Pod-Antrieb, Propellergondel oder Schiffsantriebsaggregat genannt), einer spektroskopischen Messvorrichtung 2, die ausgebildet ist, spektroskopische Messwerte eines Fluids zu ermitteln und einer Steuer- und Auswerteeinheit 3. Das untersuchte Fluid befindet sich teilweise in der Antriebsgondel 1.
Die Antriebsgondel wird näher durch 2 beschrieben. Mit Hilfe der Steuer - und Auswerteeinheit 3 erfolgt die Analyse der spektroskopisch ermittelten Messwerte in Hinblick auf einen oder mehrere Zielparameter. Die Steuer - und Auswerteeinheit 3 befindet sich bevorzugt im Schiffsrumpf, kann aber auch remote und abgesetzt über Funk angebunden sein.
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Antriebsgondel 1 mit einer in einem Lager 5 gelagerten Welle 4 die von einem Elektromotor 9 angetrieben und einen Propeller 6 bewegt wird.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur spektroskopischen Messung von Fluiden bei Schiffen mit einer Antriebsgondel 1 (auch Pod-Antrieb, Propellergondel oder Schiffsantriebsaggregat genannt) und einer spektroskopischen Messvorrichtung 2. Die spektroskopischen Messvorrichtung 2 befindet sich hierbei im Schiffsrumpf 8. Die spektroskopische Messung findet in oder an einem Bypass 7 (auch als Abzweig bezeichenbar) statt. Alternativ kann sich die spektroskopischen Messvorrichtung 2 auch in der Antriebsgondel 1 befinden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsgondel
2: Spektroskopische Messvorrichtung
3: Steuer- und Auswerteeinheit
4: Welle
5: Lager
6: Propeller
7: Bypass
8: Schiffsrumpf
9: Elektromotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016214026 A1 [0003]

Claims

Anordnung zur in-line Überwachung von Fluiden in der Schifffahrt, aufweisend: - Eine Antriebsgondel (1), - Ein teilweise in der Antriebsgondel (1) angeordnetes Fluid und - Eine spektroskopische Messvorrichtung (2), die ausgebildet ist, spektroskopische Messwerte des Fluids zu ermitteln.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: Eine Steuer- und Auswerteeinheit (3), die ausgebildet ist, die ermittelten spektroskopischen Messwerte bezüglich mindestens eines vorgebbaren Zielparameters zu analysieren und/oder auszuwerten.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielparameter die Art des Fluids, die Viskosität des Fluids, die chemische Zusammensetzung des Fluids, die Partikelart und -anzahl in dem Fluid und/ oder die Additive in dem Fluid ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Antriebsgondel (1) ein Elektromotor (9) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektroskopische Messvorrichtung (2) und die Steuer- und Auswerteeinheit (3) ausgebildet sind, um Referenzmesswerte von Referenzproben zu ermitteln und zu analysieren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (3) ausgebildet ist, die ermittelten spektroskopischen Messwerte mit Werten einer Datenbank in Bezug zu setzen und daraus den Zielparameter zu bestimmen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (3) ausgebildet ist, die ermittelten spektroskopischen Messwerte mittels multivariater Modelle, statistischer Modellierungen und/oder neuronaler Netze zu analysieren und daraus den Zielparameter zu ermitteln.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch: Einen Bypass (7), der ausgebildet ist, das Fluid aus der Antriebsgondel (1) abzuzweigen, wobei die spektroskopische Messvorrichtung (2) ausgebildet ist, die spektroskopischen Messwerte in dem in dem Bypass (7) befindlichen Fluid zu ermitteln.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Schmiermittel eines Lagers (5) einer Welle (4) des Elektromotors (9) ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (5) ein Wälzlager ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Öl ist.
Schiff mit einer Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsgondel (1) am Schiffsrumpf (8) unterhalb der Wasserlinie angeordnet ist.
Automatisiertes Verfahren, gekennzeichnet durch: Eine Ermittlung von spektroskopischen Messwerten eines zumindest teilweise in einer Antriebsgondel eines Schiffs angeordneten Fluids.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten spektroskopischen Messwerte bezüglich mindestens eines vorgebbaren Zielparameters analysiert und/oder ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 12.