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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und Angeben der Reststandzeit eines Filters zum Filtern eines Fluids.
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Durch
DE 11 2011 101 982 T5 ist ein Verfahren zum Bestimmen und Angeben der verbleibenden Nutzungsdauer (Reststandzeit) eines Filters zum Filtern eines Fluids in einer vorgegebenen Maschinenanwendung bekannt, welches das Verwenden eines Algorithmus zum Berechnen der verbleibenden Filter-Nutzungsdauer, das Bereitstellen von Anfangskonstanten für den Algorithmus basierend auf der Laborleistung und/oder der historischen Leistung, das Anpassen der Konstanten während der Benutzung des Filters basierend auf der tatsächlichen Leistung des Filters und/oder dem Verhalten der Maschine umfasst.
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Insbesondere zeichnet sich das bekannte Verfahren dadurch aus, erhaltene Daten eines elektronischen Steuerungsmoduls (ECM) einer Brennkraftmaschine oder einer hydraulischen Maschine dazu zu verwenden, um das Volumen des Fluidstroms durch den Filter zu berechnen und das so berechnete Volumen des Fluidstroms wird in einen Algorithmus eingegeben, der in dem bekannten Verfahren dazu verwendet wird, festzustellen, ob eine Filterwartung notwendig ist oder nicht. Die Berechnung oder Ermittlung eines Fluid-Volumenstroms zum Durchführen eines Verfahrens zwecks Ermitteln der Reststandzeit eines Filters ist auch Gegenstand der Veröffentlichung
US 2011/0307160 A1 .
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen und Angeben der Reststandzeit eines Filters zur Verfügung zu stellen, das nicht zwingend auf eine Fluid-Volumenstromermittlung angewiesen ist.
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Eine dahingehende Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch zumindest die folgenden Verfahrensschritte aus:
- - Messen der Druckdifferenz zwischen Unfiltrat- und Filtratseite des Filters,
- - Durchführen einer Temperaturkompensation,
- - Extrapolieren des Druckdifferenzverlaufs, und
- - Berechnung der Reststandzeit.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in regelmäßigen Intervallen die Druckdifferenz zwischen Unfiltrat- und Filtratseite am Filter gemessen und vorzugsweise in einem Ringpuffer als Datenspeichereinrichtung gespeichert, wobei gleichzeitig eine Daten-Filterung vorgenommen wird. Zusätzlich kann optional ein Temperaturwert des Fluids gemessen werden, um den Druckdifferenzwert mittels einer Temperaturkompensation zu normieren. Dahingehende Temperaturwerte lassen sich aber auch aus Erfahrungswerten für die Normierung gewinnen. Anschließend werden die Messwerte aufbereitet und aus dem extrapolierten Druckverlauf die Reststandzeit berechnet. Diese kann eine Nachbearbeitung erfahren, um eine möglichst „kontinuierlich fallende Kurve“ im Rahmen der Auswertung zu erhalten.
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Ferner können weitere Größen ermittelt werden, um die Robustheit iterativ zu erhöhen, was jedoch nicht zwingend notwendig ist.
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Vorzugsweise kann also die gemessene Druckdifferenz am Filter auf eine aktuell gemessene Fluidtemperatur und/oder auf mindestens eine Referenztemperatur normiert werden. Aus entsprechenden Diagrammen (Ubbelohde-Walther-Diagramm) kann dann die Viskosität des Fluids für eine bestimmte Temperatur ermittelt werden und mit der derart bestimmen Viskosität kann dann wiederum der Druck auf eine genormte Temperatur korrigiert werden. Vorzugsweise muss für die Berechnung die Viskosität des verwendeten Hydrauliköls für mindestens zwei Temperaturwerte, regelmäßig 40°C und 100°C, bekannt sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Rahmen der Differenzdruck- und Temperaturmessung Schwellwerte definiert werden, um dergestalt das bei Messvorgängen auftretende Grundrauschen von verbauten Sensoren als zu verwertende Messeingangsgröße, die das Messergebnis verfälschen könnte, auszuschließen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass um Streuungen in der jeweiligen Differenzdruckmessung zu verringern, der temperaturkompensierte Druckdifferenzwert mit einer Art gleitender Mittelwertbildung messtechnisch gefiltert wird. Dazu werden vorzugsweise über alle Werte im Ringpuffer der Mittelwert und die Standardabweichung hiervon berechnet. Dieser errechnete Mittelwert wird anstelle eines aktuellen Messwertes dann als neuer Wert in den Ringpuffer als Datenspeicher geschrieben.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in den Algorithmus für die Ermittlung der Reststandzeit zusätzlich zu den gemessenen Druckdifferenz- und/oder Temperaturwerten Kenndaten mit berücksichtigt werden, wie Filter- und Fluidkenndaten. Hierdurch lassen sich für die Genauigkeit der Reststandzeitermittlung verbesserte Ergebnisse erhalten.
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Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Anomalieerkennung vorgesehen, eine Steigerung der Robustheit des Verfahrens, ein Condition-Monitoring sowie eine Automatisierung des Verfahrens mittels BUS-System, insbesondere CAN-Bus oder IO-Link. Dahingehende Ausgestaltungen sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Figuren nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Art die
- 1 die generelle Funktionsweise des Algorithmus;
- 2 einen schematischen Ablauf des Algorithmus mit Rechengrößen;
- 3 eine Möglichkeit der Datenaufbereitung für den Algorithmus zur Berechnung der Standzeit;
- 4 exemplarisch ein Ubbelohde-Walther-Diagramm für eine bestimmte Ölsorte, bei der die Viskosität in mm/s2 über der Temperatur des Fluids aufgetragen ist; und
- 5 exemplarisch einen Differenzdruckverlauf eines Maschineneinsatzzyklus.
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Die Grundlagen für die Standzeitberechnung ist der Lebenszyklus eines Hydraulik-Filterelements. In dem Maße, wie sich Schmutzpartikel in dem Filter absetzen, gibt es einen Druckabfall zwischen Stellen vor und nach dem Filter, d.h. auf der Unfiltrat- und auf der Filtratseite des Filters. Dieser Differenzdruckverlauf ist nicht linear und abhängig von der Bauart des Filters und der Art der Verschmutzung. Zu Beginn verläuft der Anstieg des Differenzdrucks sehr flach und ab einem gewissen Grad der Verschmutzung steigt der Differenzdruck dann sehr schnell stark an. Aus den erhaltenen Daten kann nun eine Abschätzung für die restliche Standzeit errechnet werden, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Filter komplett verschmutzt respektive durch Verschmutzung verblockt ist.
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Die Standzeit bzw. der Grad der Zunahme der Verschmutzung ist dabei von verschiedenen Faktoren abhängig, wie beispielsweise
- - Größe des Volumenstroms,
- - Viskosität/Öltemperatur,
- - Dauer der Belastung,
- - Schmutzbeladung,
- - Spülvorgänge,
- - Temperatur der hydraulischen Flüssigkeit,
- - Reinheit der Umgebung, beispielsweise vorgegeben durch Staubbelastung der Luft,
- - Relaxation.
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Darum ergibt sich in der Wirklichkeit meist kein streng monotoner Druckanstieg; stattdessen treten Ausreißer und Schwankungen im Druckverlauf auf.
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Auf Basis der verfügbaren Informationen ist ein Algorithmus entwickelt worden gemäß der prinzipiellen Abbildung nach der 1, der die Reststandzeit des Filters mit ausreichend hoher Genauigkeit vorhersehen kann, damit der Filter nicht zu früh gewechselt wird, was die Betriebskosten erhöht; gleichzeitig aber auch garantiert ist, dass der letzte Wechselpunkt nicht verpasst wird, was gegebenenfalls die bewegbaren Maschinenteile schädigen könnte, für die die Partikelabreinigung des Fluids durch den Filter vorgesehen ist. Wie die Abbildung nach der 1 zeigt, werden als Eingangsgrößen für den Algorithmus Filter-Kenndaten, Ölkenndaten, Druckdifferenz- und Temperaturwerte eingesetzt; Daten deren Durchlauf nach dem Algorithmus eine verwertbare Reststandzeit für den Filter ergeben.
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Neben den genannten Daten können für eine Steigerung der Robustheit noch Daten von Vergleichsmessungen eingesetzt werden sowie in zuschaltbarer Weise aktuelle Volumenstromdaten aus dem Fluidkreislauf.
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Zunächst ist für das erfindungsgemäße Verfahren eine Datenaufbereitung vorgesehen, die aus einer Prüfung und Bearbeitung der Messwerte besteht, die dann für die Standzeitberechnung verwendet werden kann. Da von dem im Fluidkreis verbauten Differenzdrucksensor immer auch messtechnisch ein Grundrauschen kommen kann und je nach Bauart ebenso ein vom atmosphärischen Druck abweichender minimal messbarer Druck (Bereich, in dem der Sensor nicht anspricht) auftreten kann, muss ein Schwellwert definiert werden, ab dem ein Signal als gültig angesehen wird. Unterhalb dieser Schwelle gilt die Maschine als ausgeschaltet und der Algorithmus, wie er exemplarisch in der 1 aufgezeigt ist, wird abgebrochen. Als Schwellwert kann beispielsweise ein Wert von 0,1 bar, angesetzt werden.
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Ferner ist eine Temperaturkompensation des Druckwertes durchzuführen, wozu ein Schwellwert für die Temperaturmessung definiert wird, der parametrierbar ist. Unterhalb dieser Schwelle wird der Algorithmus abgebrochen, da sich die Maschine noch nicht in einem stabilen Betriebszustand befindet. Als Schwellwert kann hier beispielsweise 30°C angesetzt werden.
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Da der Druck im Hydrauliköl abhängig ist von der Temperatur, muss die gemessene Druckdifferenz auf eine Temperatur normiert werden, um einen bereinigten Druckverlauf zu erhalten. Ist kein Temperatursensor vorhanden, wird statt des Messwertes eine Referenztemperatur verwendet, beispielsweise 40°C gemäß der 4, die ein Ubbelohde/Walther-Diagramm betrifft für eine bestimmte Ölsorte, deren Viskosität in mm/s2 über der Temperatur in Grad Celsius wiedergegeben ist. Insoweit wird der Zusammenhang des Drucks mit der Temperatur und des Drucks mit der Viskosität ausgenutzt. Da aus dem genannten Diagramm nach der 4 die Viskosität für eine bestimmte Temperatur leicht ermittelt werden kann, kann mit der so bestimmten Viskosität wiederum der Druck auf eine genormte Temperatur korrigiert werden.
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Für die Berechnung muss die Viskosität des verwendeten Hydrauliköls für mindestens zwei Temperaturwerte bekannt sein, wobei gemäß der Darstellung nach der 4 hierfür die Temperaturwerte 40°C und 100°C verwendet werden. Insoweit lassen sich Parameter für die Viskosität direkt aus den Datenblättern ablesen, die für die meisten handelsüblichen Öle zumindest der Fachwelt zur Verfügung stehen.
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Wie sich aus dem schematischen Ablauf des Algorithmus mit Rechengrößen nach der 2 ergibt, wird in regelmäßigen Intervallen die Druckdifferenz Δp gemessen und in einem sog. Ringpuffer als Datenspeicher gespeichert, wobei gleichzeitig eine Filterung durch den Filter vorgenommen ist. Zusätzlich kann optional ein Temperaturwert T wie dargelegt gemessen werden, um den Druckdifferenzwert mittels einer Temperaturkompensation zu normieren, was den Wert ΔpT gibt.
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Um die Druckdifferenzmessung zu verringern, wird der temperaturkompensierte Druckdifferenzwert noch gefiltert mit einer Art gleitender Mittelwertbildung, was gemäß der Darstellung nach der 1 als Ausgangswerte für die Filterung die Werte ΔpF ergibt. Hierfür werden über alle Werte im Ringpuffer der Mittelwert und die Standardabweichung berechnet, wobei jeder Messwert, der mehr als eine Standardabweichung vom Mittelwert abweicht, durch den Mittelwert ersetzt wird. Anschließend wird der Mittelwert der gefilterten Werte berechnet und dieser anstatt des Messwertes verwendet, der wiederum als neuer Wert in den Ringpuffer geschrieben wird. Die gefilterten Werte ΔpF werden gemäß der Darstellung nach der 2 dann für den Erhalt eines Druckdifferenzverlaufs extrapoliert, wobei sich durch Logarithmieren ein linearer Zusammenhang erzeugen lässt. Mit der gesuchten Viskosität für die aktuell gemessene Temperatur T sowie einem Achsenabschnitt b und der Steigung m, die sich in üblicher Weise über einen Dreisatz aus den beiden bekannten Punkten nach der 4 ermitteln lassen, ergibt sich In(ΔpF) =mt + b.
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Unter Verwendung der Werte m und b aus der Extrapolation lässt sich dann die Standzeit wie folgt berechnen
woraus sich die aktuelle Standzeit t ergibt, die unter Einbezug einer vorgebbaren maximalen Standzeit t
max die Berechnung der Reststandzeit t
rest=t
max-t ermöglicht.
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Eine zugehörige Datenaufbereitung für den Algorithmus zur Berechnung der Standzeit gemäß der Darstellung nach der 2 ist in 3 wiedergegeben. Kommt es, wie in 3 dargestellt, zur Situation, dass ΔpF gleich Null ist, ist dies gleichbedeutend mit einem Abbruch des Algorithmus mit der Folge, dass die Reststandzeitberechnung dann nicht ausgeführt wird. Dieser Fall tritt ein, wenn der gemessene Druckwert oder Temperaturwert unterhalb der definierten jeweiligen Messschwelle ist. Ansonsten wird ein gefilterter Wert für den Druck berechnet und an den Algorithmus zur Berechnung der Standzeit weitergegeben. Ferner werden am Ende der Standzeit-Routine diverse Prüfungen auf Plausibilität durchgeführt, um die berechneten Werte zu begrenzen und die Berechnung robuster zu gestalten. Anschließend wird die aktuell geschätzte Reststandzeit ausgegeben. Hierfür werden sowohl für den Druckwert als auch für den Temperaturwert Schwellenwerte Δp sens und T thresh (für thresh = Schwelle) vorgegeben.
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Die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich durch ein sog. adaptives Beobachter-Korrekturverfahren steigern. Durch Analyse des Volumenstromes respektive des Volumenstromprofils können Rückschlüsse auf das Filterelement und auf Betriebszustände gezogen werden. Basierend auf diesen kann dann korrigierend in die berechnete Standzeit noch mit eingegriffen werden. So lassen sich unter Einsatz eines solchen Verfahrens zur Steigerung der Robustheit Volumenstromspitzen erkennen, die mit einem parametrierbaren, maximal möglichen Volumenstrom für die Maschine verglichen werden, bei dessen Überschreitung eine Warnung ausgegeben wird. Auch besteht die Möglichkeit, einen Vergleich mit einem vorgegebenen Volumenstrom durchzuführen und bei Abweichungen kann eine erneute Berechnung der Standzeit vorgenommen werden.
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Ferner lässt sich im Rahmen eines sog. Condition-Monitoring die spezifische Schmutzeindringrate aus dem internen Volumenstrom sowie einer Änderungsrate im Rahmen der Schmutzbeladung berechnen und mit vorgebbaren Referenzwerten vergleichen. Bei Überschreiten vorgebbarer Grenzwerte erfolgt wiederum eine Warnung.
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Der Algorithmus wurde für die Implementierung auf einem Controller HY-TTC32 vorgenommen und als Differenzdrucksensor sowie als Temperatursensor kommen Sensortypen der Bauklasse HDA bzw. ETS zum Einsatz.
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Der dahingehende Controller sowie die Sensoren lassen sich über die Schutzrechtsinhaberin beziehen.
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Wie die 5 weiter zeigt, ist dort ein fiktiver, möglicher Differenzdruckverlauf Δp über einer Maschinenzykluszeit t aufgetragen.
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Dabei zeigt der Bereich I den Differenzdruckverlauf in einem Intervall mit Initialverschmutzung; der Bereich II ein reguläres Filterintervall und der Bereich III den Differenzdruckverlauf, wenn der Filter nicht gewechselt worden ist, was dazu führt, dass der Differenzdruckverlauf einen Schwellenwert überschreitet, der in 5 strichliniert wiedergegeben ist und dem Verblocken des Filters entspricht.
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Der zeitliche Bereich IV würde sich mit dem zugehörigen Differenzdruckverlauf einstellen, sofern das Filterelement fehlt und der Bereich V gibt exemplarisch wieder, wenn ein zu früher Filterelementwechsel stattgefunden hat. Der Differenzdruckverlauf VI zeigt, wie sich ein starker Schmutzeintrag auf den Filter auswirken würde.
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Je nachdem, welcher Differenzdruckverlauf vorliegt, kann dann entsprechend bedienerseitig reagiert werden, wozu über ein CAN-BUS-System die Maschinensteuerung mit beigezogen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112011101982 T5 [0002]
- US 2011/0307160 A1 [0003]
