DE102020104040B3

DE102020104040B3 - Überwachter hydropneumatischer Blasenspeicher

Info

Publication number: DE102020104040B3
Application number: DE102020104040.7A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Biebesheimer; Christoph Schneider
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2040-02-18
Also published as: ES2923388T3; EP3869045B1; EP3869045A1

Abstract

Hydropneumatischer Blasenspeicher mit einem Druckbehälter 1, der eine Blase 2, einen Öleinlass 3, einen Gaseinlass 4 und einen Drucksensor 5, mindestens einen Temperatursensor 6 und Auswerteeinheiten 7, 11 aufweist, und dazu ausgebildet ist, die Temperatur an mindestens zwei Stellen mit zwei weiteren Temperatursensoren 8, 9 zu messen und sowohl einen zeitlichen Druckverlauf als auch die Temperaturdifferenz im Speicher zu erfassen und mit Sollwerten zu vergleichen.
Weiterhin werden ein Verfahren zu dessen Überwachung und seine Verwendung in einer Maschine beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydropneumatischen Blasenspeicher gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zu dessen Überwachung gemäß Anspruch 5 sowie dessen Verwendung gemäß Anspruch 6.
Unter einem Blasenspeicher wird ein spezieller hydropneumatischer Speicher verstanden, bei dem eine flexible Blase als Trennglied zwischen einem kompressiblen Gaspolster und einem auch als Betriebsflüssigkeit bezeichneten strömungsfähigen Medium fungiert.
Als Betriebsflüssigkeit kommen Druckmittel in hydraulischen Anlagen wie Hydrauliköl oder sonstige Druckfluide, aber auch Schmier- oder Kühlmittel in Frage.
Die Speicher bestehen aus einem Druckbehälter und der oben genannten Speicherblase, sowie aus den für die gas- und mediumseitigen Anschlüsse notwendigen Armaturen.
Derartige Hydrospeicher werden von den meisten namhaften Hydraulikherstellern angeboten.
Die DE 10 2009 010 775 A1 beschreibt einen Hydrospeicher zur Aufnahme mindestens eines Teilvolumens einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, wobei der Hydrospeicher ein Gehäuse mit mindestens einer Anschlussstelle an eine Hydraulikeinrichtung, wie einen Hydraulikkreis, aufweist. Ein Datenspeicher ist Bestandteil des Hydrospeichers und ist mittels eines außerhalb des Hydrospeichers angeordneten Lese- und/oder Schreibgerätes auslesbar.
In einer Ausführungsart ist in dem Gehäuse des Hydrospeichers ein Trennelement angeordnet, durch das zwei Arbeitsräume voneinander getrennt sind. Der Datenspeicher kann einen Sensor zur Erfassung des Drucks und/oder der Temperatur aufweisen. Im Falle eines Drucksensors kann der Druck im Gasraum ermittelt und ein Warnsignal an das zugeordnete Lese- und/oder Schreibgerät oder eine Steuereinrichtung gesendet werden, wenn der Druck einen vorgebbaren Wert unter- und/oder überschreitet.
Die DE 10 2011 100 532 A1 beschreibt unter anderem einen Blasenspeicher, bei dem der Übertritt zumindest eines Mediums über die Trenneinrichtung in den anderen Medienraum detektierbar sein soll. Eine zur Dichtheitsprüfung dienende Messeinrichtung soll mindestens einen auf der Gasseite angeordneten Sensor aufweisen.
Neben thermischen Sensoren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit werden auch optische Messverfahren wie Streulichtmessungen oder die Bestimmung der Lumineszenz, die Messung der elektrischen Leitfähigkeit, der dielektrischen Eigenschaften, chemische oder physikalische Messverfahren, wie die Messung des Schwingungsverhaltendes Mediums, vorgeschlagen.
Als nachteilig werden der teilweise enorme Messaufwand, sowie die bei den angegebenen Messverfahren notwendigen Anpassungen an das Medium, d. h. den Betriebsstoff, angesehen.
Des Weiteren ist aus der WO 0208612 A1 ein Verfahren zur Messung des Gasdruckes in Gasfeder- oder Gasspeicherkugeln bekannt. Zur Ermittlung des Gasdruckes wird eine Temperaturmessung der Kugelhülle vorgenommen und der ermittelte Ist-Wert mit seinem Soll-Wert verglichen und eine vorhandene Abweichung angezeigt. Über die erfolgte Temperaturmessung der Kugelhülle unter Bezugnahme auf die gespeicherten Messdaten der verschiedenen Betriebszustände der Gasfeder- oder Gasspeicherkugeln sollen Abweichungen von den Soll-Werten feststellbar sein.
Aus der DE 102009032859 A1 ist bekannt, dass zur Ermittlung einer Verschleißgröße oder einer Restlebensdauer eines Hydrospeichers mittels einer Sensoreinheit Messwerte eines Drucks in dem Hydrospeicher erfasst werden. In einem Speicher ist eine Verschleißgrößenfunktion gespeichert, welche einem bestimmten zeitlichen Verlauf einer Mehrzahl der Messwerte einen Verschleißwert zuordnet. Eine Recheneinheit ermittelt unter Verwendung der ermittelten Messwerte des Drucks und der Verschleißgrößenfunktion eine Verschleißgröße oder eine Restlebensdauer des Hydrospeichers.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, den Messaufwand gering zu halten und eine für möglichst alle in Frage kommenden Betriebsstoffe geeignete Messeinrichtung anzugeben. Außerdem soll die Anordnung preisgünstig, leicht zu handhaben und zumindest teilweise auch außerhalb der Medien angeordnet sein können. Insbesondere sollen auch „schleichende“ Veränderungen erkannt werden (predictive mainteneance).
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 5 beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Anspruch 6 betrifft die Verwendung des Blasenspeichers.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, auf oftmals ohnehin vorhandene Druck- und/oder Temperatursensoren zurückzugreifen und diese derart anzuordnen und auszuwerten, dass eine Beschädigung, insbesondere die Ermüdung der Blase, durch einen mit den Sensoren verbundenen Auswerteeinheit erkennbar wird.
Dazu sind mindestens ein Drucksensor und mindestens drei Temperatursensoren vorgesehen. Erfindungsgemäß ist der Drucksensor entweder auf der Gasseite oder auf der Medienseite (Ölseite) angeordnet, ein erster Temperatursensor ist an einer Armatur und die beiden anderen Temperatursensoren sind in unterschiedlicher Höhe an oder im Blasenspeicher angeordnet. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der Mediendruck und/oder der Gasdruck, die Medientemperatur und eine Temperaturdifferenz im Bereich der Blase bestimmt, wobei die Auswertung durch den Vergleich mit Sollwerten erfolgt.
Die folgenden Ausführungen dienen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Ausfall eines Druckspeichers macht sich u. a. dadurch bemerkbar, dass in einem spezifischen Druckbereich die notwendige Flüssigkeitsmenge nicht mehr aufgenommen oder abgegeben werden kann, wobei der Ausfall oftmals durch einen falschen Gasdruck verursacht wird. Somit können durch eine permanente statische und dynamische Überwachung des Fülldrucks Ausfälle vermieden und die Lebensdauer der Anlage durch vorausschauende Überwachung und einer damit verbundenen Wartung (predictive mainteneance) verlängert werden.
Da der statisch gemessene Druck lediglich angibt, ob sich der Fülldruck in einem erlaubten Bereich befindet, kann die dynamische Drucküberwachung Hinweise auf Veränderungen der Blase geben, siehe 3.
Allerdings treten im Gegensatz zu einem Kolbenspeicher bei einem Blasenspeicher Ausfälle in der Regel spontan durch Platzen der Blase auf. Inwieweit sich das Platzen der Blase durch Gas- oder Flüssigkeitsleckagen bemerkbar macht, sei zunächst dahingestellt. Jedenfalls fällt der Fülldruck spontan ab.
Ein weiteres Indiz für die Veränderung der Blase sind Temperaturdifferenzen insbesondere zwischen dem Gas- oder Öleinlass und dem Behälter bzw. in der Blase. Deshalb werden drei erfindungsgemäß angeordnete permanent ausgewertete Temperatursensoren vorgeschlagen, um ein sich langsam änderndes Temperaturverhalten zu erkennen (predictive maintenance).
Für einen zyklisch betriebenen Blasenspeicher wird als Diagnosekonzept vorgeschlagen:

1. Erfassung der Anzahl der zyklischen Druckveränderungen (Zyklen)
2. Erfassung der Zeit zwischen den einzelnen Zyklen
3. Messung der Temperatur am Einlass, in der Mitte und am oberen Ende des Speichers
4. Statische Druckmessung, Prüfung, ob sich der Druck im Soll-Bereich befindet
5. Dynamische Druckmessung zur Erfassung der Zeit zwischen den einzelnen Zyklen
6. Dynamische Druckmessung zur Erkennung von Veränderungen an der Blase.

Das angegebene Messsystem kann ohne weiteres vorteilhaft in ein vorhandenes Condition Monitoring System einer Druck-Anlage, beispielsweise einer Maschine, eingebunden werden.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass bereits vorhandene Drucksensoren oder Temperatursensoren verwendet und die vorgeschlagenen zusätzlichen Temperatursensoren leicht und ohne Medienkontakt am/im Gehäuse des Druckbehälters montiert werden können.
Eine separate Auswerteeinheit ist in der Regel nicht notwendig, weil meistens vorhandene Steuereinheiten verwendet werden können. Somit erlaubt die Erfindung eine kostengünstige Überwachung des genannten Blasenspeichers, was zur Verbesserung der Störsicherheit dient. Eine Fernüberwachung über ein lokales Netzwerk oder das Internet ist ebenfalls möglich.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Blasenspeicher in teilweise geschnittener Darstellung
2 zeigt eine Auswahl der benötigten Druck- und Temperatursensoren
3 zeigt typische Druckverläufe mit intakter Blase und ohne (bzw. mit geplatzter) Blase
4 zeigt die mit den Sensoren aus 2 verbundenen Auswerteeinheiten schematisch.

Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Blasenspeicher mit einem Druckbehälter 1, der eine (Gas-) Blase 2, einen Öleinlass 3, einen Gaseinlass 4 und einen Drucksensor 5, einen ersten Temperatursensor 6 und zwei weitere Temperatursensoren 8 und 9 aufweist.
Der Gaseinlass 4 weist ein von einer Schutzkappe 14 bedecktes Gasventil 15 auf. Es wird darauf hingewiesen, dass auch hier eine Druckmessung vorgenommen werden kann.
Die Anordnung wird erfindungsgemäß dazu ausgebildet, neben dem Druck und der Temperatur am Medieneinlass 3 auch die Temperatur an mindestens zwei Stellen, in der Mitte und am oberen Ende des Speichers, zu messen, und an nicht dargestellte Auswerteeinheiten 7 für den Druck und 11 für die diversen Temperaturmessstellen zu übertragen.
Diese erfindungsgemäße Anordnung ist kostengünstig realisierbar und leicht zu montieren.
Die 2 zeigt die notwendigen Sensoren. Es sind drei Temperatursensoren des Typs PT100 und ein Drucksensor PT5301 der Anmelderin dargestellt. Natürlich können auch ähnliche Sensoren andere Hersteller Verwendung finden. Für die drei PT100-Temperatursensoren sind mit 10 bezeichnete Umsetzer (PT100 - Temperatursensor auf 4-20 mA) erforderlich.
3 zeigt typische Druckverläufe mit intakter und ohne bzw. mit geplatzter Blase. Wie man unschwer erkennt, ist eine geplatzte Blase anhand des Druckverlaufs ohne weiteres erkennbar. Allerdings sollen Beschädigungen der Blase, Undichtigkeiten und Materialermüdung bereits frühzeitig erkannt werden (predictive maintenance).
Die 4 zeigt die mit den Sensoren aus der 2 zu verbindenden Auswerteeinheiten. Die Signale des Drucksensors 5 werden von einer mit 7 bezeichneten Diagnoseeinheit für Schwingungssensoren des Typs VSE100 der Anmelderin ausgewertet.
Die Signale der drei Temperatursensoren werden einem mit 11 bezeichneten AS-Interface Schaltschrankmodul des Typs AC3222 der Anmelderin zugeführt.
Als Netzteil 13 dient eine AS-Interface Stromversorgung des Typs AC1258 der Anmelderin. Die Auswerteeinheiten 7 und 11 sind mit einem IO-Link Master mit Ethernet/IP-Schnittstelle AL1920 der Anmelderin verbunden. Sie ist mit 12 bezeichnet und dient zur Kommunikation mit der Außenwelt, insbesondere mit übergeordneten Steuereinheiten.
Die dem Fachmann geläufige Verkabelung ist nicht explizit dargestellt.
Da sich diese Anordnung dem Fachmann ohne weiteres erschließt, kann die Erläuterung kurzgehalten werden.
Die Auswerteeinheiten 7 und/oder 11 enthalten Parametersätze für die Sensoren sowie die zu deren Auswertung und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens notwendige Software, wobei die Auswertung genauso in einer übergeordneten Steuer- und Auswerteeinheit erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

1: Druckbehälter
2: Blase (Gasblase)
3: Öleinlass / Medieneinlass
4: Gaseinlass
5: Drucksensor, beispielsweise ein PT5301 der Anmelderin
6: Erster Temperatursensor (für das Medium), z. B. ein PT100
7: Auswerteeinheit, z. B eine VSE 100 der Anmelderin für bis zu 6 Sensoren
8: Zweiter Temperatursensor (für die Gasblase), z. B. ein PT100
9: Dritter Temperatursensor (für die Gasblase), z. B. ein PT100
10: Umsetzer PT100 - Temperatursensor auf 4-20 mA (3x)
11: Schaltschrank, beispielsweise ein AS-Interface Schaltschrankmodul AC3222
12: Ethernet Switch, z. B. ein IO-Link Master mit Ehernet/IP Schnittstelle AL1920
13: Netzteil, beispielsweise eine AS-Interface Stromversorgung AC1258
14: Abschlusskappe
15: Gasventil

Claims

Hydropneumatischer Blasenspeicher mit einem Druckbehälter (1), der eine Blase (2), einen Öleinlass (3), einen Gaseinlass (4) und einen Drucksensor (5), mindestens einen Temperatursensor (6) und Auswerteeinheiten (7, 11) für Druck und Temperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er dazu ausgebildet ist, Temperaturen an mindestens zwei weiteren Stellen mit zwei weiteren Temperatursensoren (8, 9) zu messen und sowohl einen zeitlichen Druckverlauf als auch die Temperaturdifferenz im Speicher zu erfassen und mit Sollwerten zu vergleichen.
Hydropneumatischer Blasenspeicher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öldruck erfasst und ausgewertet wird.
Hydropneumatischer Blasenspeicher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck erfasst und ausgewertet wird.
Hydropneumatischer Blasenspeicher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz aus Öl- und Gasdruck erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren zur Überwachung eines hydropneumatischer Blasenspeichers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 mit den folgenden Verfahrensschritten: - Erfassung der Anzahl der zyklischen Druckveränderungen (Zyklen) - Erfassung der Zeit zwischen den einzelnen Zyklen - Messung der Temperatur am Einlass, in der Mitte und am Ende des Speichers - Statische Druckmessung, Prüfung, ob sich der Druck im Soll-Bereich befindet - Dynamische Druckmessung zur Erfassung der Zeit zwischen den einzelnen Zyklen - Dynamische Druckmessung zur Erkennung von Veränderungen an der Blase.
Verwendung eines hydropneumatischen Blasenspeichers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Maschine.