DE19625947C1 - Verfahren zur Störungsfrüherkennung an Pumpen sowie entsprechende Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Störungsfrüherken­ nung für eine nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Pumpe mit mehreren zwischen einer Saug- und Druckseite der Pumpe angeordneten, zueinander phasenverschoben arbeitenden Ver­ drängern, mit einem Pulsationen des Pumpmediums erfassenden Meßfühler und mit einer Einrichtung zur elektronischen Da­ tenverarbeitung, in der ein für einen störungsfreien Betrieb der Pumpe charakteristisches Frequenzspektrum der Pulsatio­ nen gespeichert und mit aktuellen Meßdaten verglichen wird, um bei für Betriebsstörungen charakteristischen Abweichungen vorzeitig ein Warnsignal zu erzeugen.

Außerdem betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrich­ tung.

Ein derartiges Verfahren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung sind aus der DE 40 29 616 A1 bekannt. Dabei werden mit dem Meßfühler nicht nur absolute Druckwerte, sondern die Druckdifferenzen der Pulsationen ausgewertet. Dementsprechend ist die Erken­ nung von Störungen an grundsätzlich beliebigen Pumpentypen möglich, bei denen beim Betrieb auslaßseitige Druckschwan­ kungen auftreten.

In der DE-Zeitschrift "Ölhydraulik und Pneumatik" 36 (1992), Nr. 3, Seiten 176 bis 181, wird der allgemeine Hinweis gege­ ben, Pulsationsspektren an Pumpen zum Zweck einer Störungs­ erkennung auszuwerten.

Aus der DE 32 44 738 C2 ist es bekannt, zur Störungsfrüher­ kennung bei Pumpen die Tatsache auszunutzen, daß sich der zeitliche Verlauf der Druckpulsationen an bzw. in einem Ver­ drängerarbeitsraum bei Störungen, insbesondere bei Undich­ tigkeiten von Ventilen charakteristisch ändert. Durch Erfas­ sung des Verlaufes der Druckpulsationen an einem Verdrän­ gerarbeitsraum kann damit erkannt werden, ob die jeweilige Verdrängereinheit der Pumpe korrekt arbeitet oder nicht. Al­ lerdings ist der meßtechnische Aufwand vergleichsweise groß, weil einerseits der zeitliche Verlauf der Druckpulsationen erfaßt werden muß und andererseits eine derartige Erfassung für jeden Verdrängerarbeitsraum gesondert durchzuführen ist.

Die DE 44 12 570 C2 bezieht sich auf einen Kompressor mit Detektoreinrichtungen zur Erfassung von Drehbewegungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der ein­ gangs angegebenen Art den meßtechnischen Aufwand wesentlich zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Pumpe mit mehreren zueinander phasenverschoben arbeitenden Verdrängern zu überwachen, ob druckseitig charakteristische Änderungen der Pulsationen des Drucks oder Förderstroms des Pumpmediums auftreten.

Wenn eine Pumpe eine Anzahl Z von zueinander phasenverscho­ ben mit einer Hubfrequenz f_H arbeitendenden Verdrängern auf­ weist, so sind druckseitig der Pumpe Pulsationen des Förder­ stroms des Pumpmediums mit der Grundfrequenz F₀ = Zf_H zu er­ warten, weil sich die Förderströme der einzelnen Verdränger überlagern, mit der Folge daß sich ein Gesamtförderstrom er­ gibt, der die Pulsationen sämtlicher Einzelförderströme ent­ hält. Im übrigen enthält der Gesamtförderstrom auch Pulsa­ tionen mit Frequenzen höherer Ordnung, d. h. solchen, die Oberwellen einer zu erwartenden Grundfrequenz darstellen.

Normalerweise treten bei Pumpen mit mehreren gleichartigen Verdrängern, die jeweils mit gleicher Phasenverschiebung re­ lativ zueinander arbeiten, keine nennenswerten Pulsationen mit einer Frequenz auf, die der Hubfrequenz f_H eines einzel­ nen Verdrängers entspricht. Vielmehr werden solche Pulsatio­ nen (und deren Oberwellen) erst dann auftreten, wenn Störun­ gen, beispielsweise Undichtigkeiten, an einer Verdrängerein­ heit auftreten.

Die Pulsationen des Förderstroms des Pumpmediums auf der Druckseite der Pumpe sind mit analogen Druckpulsationen ver­ bunden, da die Pumpe regelmäßig gegen einen - gegebenenfalls sehr hohen - Druck auf ihrer Druckseite arbeiten muß.

Im Ergebnis treten damit bei Störungen einer Verdrängerein­ heit Druckpulsationen mit einerseits charakteristischen Fre­ quenzen und mit andererseits charakteristischen Pulsations­ maxima auf.

Die Erfindung nutzt nun diese neue Erkenntnis, indem Meß­ anordnungen vorgesehen werden, die auf für Störungen charak­ teristische Erscheinungen im druckseitigen Förderstrom der Pumpe reagieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden zum Erzeugen eines Warnsignals diejenigen Pulsationen ausgewertet, deren Frequenz der Hubfrequenz eines Verdrängers oder dessen Fre­ quenzen höherer Ordnung entspricht, die von den bei normalem Betrieb (ohne Störung) zu erwartenden Pulsationsfrequenzen abweichen.

Eine derartige Signalauswertung ist ohne weiteres möglich, weil Pumpen typischerweise nur in einem relativ engen Be­ reich der Hubfrequenz eines Verdrängers betrieben werden. Im Falle einer Pumpe mit Kurbeltriebwerk ist dies gleichbedeu­ tend damit, daß die Pumpe normal nur in einem engen Dreh­ zahlbereich arbeiten muß.

Soweit bei der Pumparbeit stark wechselnde Hubfrequenzen bzw. Drehzahlen auftreten, kann der entsprechende Wert ohne weiteres - beispielsweise durch Drehgeber - am Pumpentrieb­ werk bzw. -antrieb abgegriffen werden, um die Möglichkeit zu bieten, den jeweils für Störungen besonders signifikanten Frequenzbereich der Druckpulsationen zu überwachen.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Schnitt einer Plungerpumpe mit Kurbeltriebwerk und mehreren Plungern,

Fig. 2 ein Diagramm der Pulsationen des Förderstroms einer Dreizylinderpumpe,

Fig. 3 ein charakteristisches Pulsationsspektrum einer solchen Pumpe bei störungsfreiem Betrieb und

Fig. 4 ein entsprechendes Spektrum bei einer Undichtigkeit eines Druckventiles und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer besonders einfachen Signalauswertung.

Gemäß Fig. 1 besitzt die Pumpe mehrere eingangsseitig je­ weils durch ein Saugventil 1 und druckseitig durch ein Druckventil 2 abgeschlossene Arbeitsräume 3, in denen je­ weils ein Plunger 4 arbeitet, d. h. der Plunger 4 führt in Fig. 1 nach links gerichtete Druck- und nach rechts gerich­ tete Saughübe aus.

Antriebsmäßig sind die Plunger 4 über Kreuzköpfe, die in Kreuzkopfführungen 5 gehalten sind, und Pleuelstangen 6 mit einer nur schematisch dargestellten Kurbelwelle 7 eines durch nicht dargestellten Motor angetriebenen Kurbeltrieb­ werkes 8 verbunden. Die den Plungern 4 zugeordneten Kurbel­ wellenkröpfungen sind in Achsansicht der Kurbelwelle 7 um zueinander gleiche Winkel versetzt angeordnet. Im Beispiel der Fig. 1 bis 4 wird von drei Plungern 4 ausgegangen, deren Pleuelstangen dann bei P₁, P₂ bzw. P₃ an zugeordneten Kröp­ fungen der Kurbelwelle 7 angelenkt sind. Diese Anlenkpunkte sind jeweils relativ zueinander im Winkel von 120° versetzt.

Alle Plunger 4 der Pumpe fördern druckseitig in eine Druck­ sammelleitung 9. Jeder Arbeitsraum 3 ist am zugeordneten Plunger 4 mittels einer Plungerdichtung 10 abgedichtet.

Fig. 2 zeigt nun den Förderstrom Q in der Drucksammellei­ tung 9 über dem Kurbelwinkel ϕ bei einer Drei-Plunger-Pumpe, welche störungsfrei laufen möge. Wenn die Plunger in übli­ cher Weise gleiche Querschnitte und gleiche Hübe aufweisen, erzeugt jeder Plunger annähernd den gleichen Förderstrom. Die Kurven Q₁ bis Q₃ zeigen die Förderströme, die von den einzelnen Plungern erzeugt werden. Aufgrund der Überlagerung der Förderströme der einzelnen Plunger ergibt sich ein be­ züglich der Pulsationen stark geglätteter Gesamtförderstrom mit betragsmäßig relativ geringen Pulsationen und einer Pulsationsfrequenz, die deutlich oberhalb der Hubfrequenz jedes einzelnen Plungers 4 liegt.

In Bild A der Fig. 2 sind die Verhältnisse gezeigt, wie sie sich ergeben, wenn die von jedem einzelnen Plunger 4 erzeug­ ten Pulsationen vollständig symmetrisch sind. Das Bild B zeigt die Verhältnisse bei leicht unsymmetrischen Pulsatio­ nen der von den Plungern 4 erzeugten Förderströme.

Die folgenden Ausführungen gelten sowohl für Pulsationen des Förderstroms wie auch für die analogen Druckpulsationen.

Die Fig. 3 zeigt nun den Pegel J der Druckpulsationen bei einer störungsfrei arbeitenden Drei-Plunger-Pumpe in Abhän­ gigkeit von der Frequenz f. Man erkennt, daß nennenswerte Pegel nur in schmalen Frequenzbereichen auftreten. Ein rela­ tiv hoher Pegel tritt in der Nachbarschaft einer Grundfre­ quenz F₀ auf, welche rechnerisch das Produkt aus der Anzahl Z der Plunger und der Hubfrequenz f_H jedes Plungers ergibt, d. h.

F₀ = Zf_H.

Darüber hinaus treten hohe Intensitäten - mit zu hohen Fre­ quenzen hin geringer werdenden Pegeln - jeweils bei ganzzah­ ligen Vielfachen der Grundfrequenz F₀ auf, d. h. bei den Fre­ quenzen F₂ = 2F₀ sowie F₃ = 3F₀ usw.

Bemerkenswert ist, daß unterhalb der Grundfrequenz F₀ sowie zwischen den Frequenzpaaren F₀/F₂, F₂/F₃, F₃/F₄ usw. keine nennenswerten Pegel nachweisbar sind, solange die Pumpe stö­ rungsfrei arbeitet.

Deutlich andere Verhältnisse liegen vor, wenn an einem Plun­ gerarbeitsraum eine Undichtigkeit, beispielsweise an einem Ventil, insbesondere dem Druckventil, auftritt. Einerseits treten wie im Falle eines störungsfreien Betriebs der Pumpe sehr hohe Pegel nahe den Frequenzen F₀, F₂, F₃ usw. auf. Dar­ über hinaus tritt auch ein sehr hoher Pegel im Bereich der Frequenz f_H auf, d. h. der Hubfrequenz eines Plungers 4, de­ ren Wert bei einer Drei-Plunger-Pumpe bei einem Drittel der Grundfrequenz F₀ liegt. Im übrigen lassen sich höhere Pegel bei ganzzahligen Vielfachen der Frequenz f_H nachweisen.

Wenn nun gemäß der Erfindung überwacht wird, ob unterhalb der Grundfrequenz F₀ und insbesondere bei der Frequenz f_H und/oder zwischen den Frequenzpaaren F₀/F₂, F₂/F₃, F₃/F₄ usw. ausgeprägte Druckpulsationen auftreten, läßt sich zu einem sehr frühen Zeitpunkt eine Störung an der Pumpe, insbesonde­ re ein Ventilschaden oder eine Schaden an Plungerdichtungen, erkennen. Damit ist einerseits eine frühzeitige Reparatur bzw. ein frühzeitiger Austausch von Verschleißteilen mög­ lich, bevor höhere Folgeschäden auftreten können. Anderer­ seits wird auch die Möglichkeit geboten, die Zahl der In­ spektionen dem jeweiligen Bedarf anzupassen.

Der meßtechnische Aufwand kann bei der Erfindung äußerst ge­ ring gehalten werden.

Gemäß Fig. 5 ist an der Drucksammelleitung 9 (vgl. auch Fig. 1) ein prinzipiell beliebiger Drucksensor 11 angeord­ net, welcher beispielsweise mit Dehnungsmeßstreifen oder piezoelektrischen Elementen arbeiten kann. An die Meßgenau­ igkeit bezüglich des in der Drucksammelleitung 9 auftreten­ den hydraulischen Druckes werden nur geringe Anforderungen gestellt.

Die Ausgangssignale des Drucksensors 11 geben in digitaler oder analoger Form den Druck in der Drucksammelleitung 9 wieder. Bei störungsfrei arbeitender Pumpe zeigen die Aus­ gangssignale die in Fig. 2 dargestellten Pulsationen des Ge­ samtförderstroms.

Die Signale des Drucksensors 11 werden gegebenenfalls in ei­ nem Meßverstärker 12 verstärkt und dann einem Bandpaßfilter 13 zugeführt, welches nur solche Signalschwankungen durch­ läßt, deren Frequenz unterhalb eines Frequenzbereiches liegt, dessen obere Grundfrequenz zwischen F₀ und f_H und dessen untere Grenzfrequenz zwischen 0 und f_H liegt.

Der Ausgang des Filters 13 kann mit einem Monitor 14 verbun­ den sein, welcher den zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale des Filters 13 darstellt. Bei störungsfrei arbeitender Pumpe ergibt sich ein weitgehend konstant bleibendes, allenfalls schwach schwankendes Signal. Beim Auftreten einer Störung ergibt sich ein ausgeprägt periodisch schwankendes Signal, d. h. eine größere Signalamplitude ist ein eindeutiger Hin­ weis auf eine Störung.

Gegebenenfalls kann alternativ oder zusätzlich zum Monitor 14 ein Signalgeber vorgesehen sein, welcher ein Signal er­ zeugt, sobald die vorgenannte Amplitude einen Schwellwert überschreitet.

Falls die Pumpe mit stark wechselnder Fördergeschwindigkeit bzw. Drehzahl arbeitet, kann ein zusätzlicher Meßfühler vor­ gesehen sein, der ein von der Fördergeschwindigkeit bzw. Drehzahl und damit auch mit der Plungerhubfrequenz f_H abhän­ giges Signal erzeugt, damit die Signale des Drucksensors 11 im richtigen Frequenzbereich auf erhöhte Pegel untersucht werden können.

Der Drucksensor 11 ist vorzugsweise an einem Bereich der Drucksammelleitung 9 angeordnet, wo die auszuwertenden Druckpulsationen weitestgehend ungedämpft auftreten.

Die Größe der Druckpulsationen auf der Druckseite einer nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Pumpe hängt stark von der konstruktiven Ausbildung des jeweiligen Drucksystems und insbesondere davon ab, inwieweit dieses Drucksystem pulsati­ onsdämpfende Eigenschaften aufweist oder Pulsationsdämpfer umfaßt. Im Extremfall können die Druckpulsationen äußerst gering sein.

In derartigen Fällen ist gemäß einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung vorgesehen, in der Druckleitung 9 (vgl. Fig. 1) zwischen Drucksystem und Pumpe, nahe der Pumpe eine Drossel anzuordnen, welche zweckmäßigerweise ein- und ausschaltbar ist. Eine solche Drossel bewirkt - im einge­ schalteten Zustand - daß zumindest unmittelbar an der Pumpe ausgeprägte Druckpulsationen auftreten und dementsprechend auch deren Frequenzen sicher ausgewertet werden können.

Die genannte Drossel kann dann jeweils für eine Meßphase wirksam geschaltet werden, etwa beim Start der Pumpe.

Die durch Undichtigkeiten an einer Verdrängereinheit einer Pumpe hervorgerufenen charakteristischen Druckpulsationen weisen nicht nur charakteristische Frequenzen auf. Vielmehr wird durch die Undichtigkeiten auch der Betrag der Differenz zwischen dem Maximal- und Minimalwert des Drucks des Pumpme­ diums auf der Druckseite der Pumpe verändert, d. h. die ge­ nannte Differenz kann charakteristisch große Werte annehmen.

Dies wird verständlich bei Betrachtung der Fig. 2. Bei Un­ dichtigkeiten einer Verdrängereinheit hat einer der Teilför­ derströme Q₁ bis Q₃ ein vergleichsweise niedriges Maximum, mit der Folge, daß zwischen dem (absoluten) Maximalwert des Gesamtförderstromes und dem (absoluten) Minimalwert des Ge­ samtförderstromes eine besonders große Differenz auftritt.

Dementsprechend tritt auch bei den korrespondierenden Druck­ pulsationen eine deutlich erhöhte Differenz zwischen dem Ma­ ximal- und dem Minimalwert des Druckes auf.

Es ist also grundsätzlich auch möglich und vorteilhaft, die druckseitig einer Verdrängerpumpe auftretenden Druckschwan­ kungen zu erfassen und ein Fehlersignal zu erzeugen, sobald der Betrag dieser Druckschwankungen einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten.

Schließlich ist es auch grundsätzlich möglich, anstelle der Druckpulsationen die Pulsationen des Förderstroms zu ermit­ teln, beispielsweise indem die Laufzeit von Ultraschallim­ pulsen ermittelt wird, die dazu in das Pumpmedium auf der Druckseite der Pumpe eingekoppelt werden.

Allerdings ist bislang der meßtechnische Aufwand deutlich größer als bei Auswertung der Druckpulsationen, so daß die Auswertung der Druckpulsationsfrequenzen derzeit besonders bevorzugt ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Störungsfrüherkennung für eine nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Pumpe mit mehreren zwischen ei­ ner Saug- und Druckseite der Pumpe angeordneten, zueinander phasenverschoben arbeitenden Verdrängern und mit einem Pulsationen des Pumpmedium erfassenden Meßfühler, mit einer Einrichtung zur elektronischen Datenverarbeitung, in der ein für einen störungsfreien Betrieb der Pumpe charakteristi­ sches Frequenzspektrum der Pulsationen gespeichert und mit aktuellen Meßdaten verglichen wird, um bei für Betriebsstö­ rungen charakteristischen Abweichungen vorzeitig ein Warnsignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (11) der Druckseite (9) der Pumpe zugeord­ net ist und deren Pulsationen erfaßt, daß zum Erzeugen des Warnsignals Meßdaten aus solchen Frequenzbereichen ausgewer­ tet werden, die im Frequenzspektrum des störungsfreien Be­ triebs zwischen den Pulsationsmaxima liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Warnsignals Meßdaten ausgewertet wer­ den, die im Bereich der Frequenz der Verdränger liegen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Pumpentriebwerk (8) bzw. am Pumpenantrieb ein Meßfüh­ ler zur Ermittlung des Istwertes der Hubfrequenz (f_H) eines Verdrängers (4) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im druckseitigen Förderstrom der Pumpe bzw. in deren Druckleitung (9) eine ständige bzw. für Meßphasen einschalt­ bare Drossel zur Erhöhung von Druckpulsationen angeordnet ist.