DE19841946B4

DE19841946B4 - Verfahren zur Kavitationsdetektion

Info

Publication number: DE19841946B4
Application number: DE1998141946
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr.rer.nat.habil. Hauptmann; Holger Dipl.-Phys. Fritsch; Thomas Dipl.-Phys. Iwert
Original assignee: M-Sen Mikrosystemtechnik GmbH; MU SEN MIKROSYSTEMTECHNIK GmbH
Current assignee: BACHMANN GMBH, AT
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-09-15
Also published as: DE19841946A1

Abstract

Verfahren zur Kavitationsdetektion an hydraulischen Geräten wie Kreiselpumpen, Strömungsmaschinen, Armaturen oder dergleichen, bei dem die Signalamplituden höherer Bewegungsmoden eines schwingungsfähigen Feder-Masse-Dämpfungssystem ausgewertet werden, gekennzeichnet durch eine Bildung von den höheren Bewegungsmoden zugeordneten Signalamplitudenverhältnissen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kavitationsdetektion.
Bei Teil- oder Überlastbetrieb in einer Pumpe kommt es zu einer starken Drucksenkung in der Flüssigkeit. Konkret treten Kavitationserscheinungen dann auf, wenn der Flüssigkeitsdruck auf den Dampfdruck der zu fördernden Flüssigkeit abfällt und sich infolgedessen zeitlich und räumlich instabile, dampferfüllte Hohlräume bilden. Die damit verbundene Verengung des Durchflußquerschnittes führt zu einer Verringerung des geförderten Volumenstromes bei gleichzeitiger Abnahme der Förderhöhe und senkt somit den Wirkungsgrad der Pumpe.
Die Kavitationserscheinungen werden häufig von starken Geräuschen und dem unruhigen Lauf der Pumpe begleitet. Steigt der statische Druck in Strömungsrichtung wieder an, implodieren die Dampfblasen. Wenn diese Implosionen an den Pumpenwandungen erfolgen, kommt es zum unerwünschten Materialabtrag. Die Implosionen haben dabei die Wirkung von mechanischen Schlägen, bei deren längerer Einwirkung der Werkstoff ein schwammartiges zerklüftetes Aussehen annimmt.

Zur Erfassung von Kavitationssignalen sind bisher Sensoren und Verfahren bekannt, die innerhalb eines flüssigkeitsführenden Gerätes die von implodierenden Dampfvolumina ausgelösten Druckschwankungen registrieren können. So bewirken Druckschwankungen Spannungsänderungen in Dehnungsmeßstreifen, die mit Hilfe von Mikroprozessoren und iterativer Rechenverfahren ausgewertet werden ( DE-A-32 36 815 ). Außerdem rufen diese Druckschwankungen mechanische Schwingungen von Baugruppen hervor und können somit auch indirekt über Körperschallmessungen mit Beschleunigungs- und SAE-Sensoren (Schall-Emissions-Analyse) nachgewiesen werden. Allerdings lassen diese Verfahren keine direkte Aussage über die tatsächliche Kavitationsintensität zu. Dies liegt darin begründet, daß die Signale auf ihrem Übertragungsweg unterschiedlichen Einflüssen und Effekten ausgesetzt sind (z.B. konstruktiver Aufbau, Fördermedium, Reflexion, Dämpfung). Kompliziertere Detektionsmethoden nutzen daher ein akustisches Referenzsignal, das in das Fördermedium eingekoppelt wird um die Einflüsse des Übertragungsweges auszuschließen ( DE 195 17 289 A1 ).

Aus DE-OS 37 25 754 ist eine Einrichtung zum Überwachen von Pumpen auf Gefährdung durch Kavitation bekannt. Diese Einrichtung enthält insbesondere ein Schwingungssystem mit einem Schwingungswandler, das so abgestimmt ist, dass bei Kavitation der überwachten Pumpe eine Resonanz auftritt.

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kavitationsdetektion zur Verfügung zu stellen, daß eine hohe Meßempfindlichkeit aufweist und eine unkomplizierte Signalverarbeitung im Zeitbereich ermöglicht, die mit einer einer kostengünstigen Auswerteschaltung realisierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Bewegungsvorzugsrichtung der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Feder-Masse-Dämpfungsstruktur durch die mit der Kavitationserscheinung verbundenen unspezifischen stochastischen Stoßerregungen verlorengeht. Bei einsetzender Kavitation hängt die Ausprägung der Bewegungsmodi eines Feder-Masse-Dämpfungssystems von der Kavitationsstärke ab, wobei sich die Bewegungsmodi dabei gegenseitig stark beeinflussen (Modenkopplung).

Die Verhältnisbildung zwischen den resonant angeregten Bewegungsmoden dient zur Bestimmung der Stärke der Kavitationserscheinung.

Dabei zeigen Untersuchungen, daß nur die ersten drei Schwingungsmoden der Sensorstruktur von praktischer Bedeutung sind. Der kavitationsfreie Zustand ist durch die bevorzugte Anregung des Grundmodes gekennzeichnet. Mit einsetzender Kavitation werden ebenfalls der Torsions- und der erste Bewegungsmode deutlich angeregt. Die Bestimmung der Kavitationsintensität kann so über eine einfache Verhältnisbildung der Amplituden der ersten drei Schwingungsmoden erfolgen.

Als Vorteile des vorgeschlagenen Meßverfahrens zur Kavitationsdetektion können abschließend folgende Punkte angeführt werden:

– hohe Meßempfindlichkeit durch Ausnutzung der resonanten Anregung der einzelnen Moden, einer Feder-Masse-Dämpfungsstruktur (1)
– unkomplizierte Signalverarbeitung im Zeitbereich und damit verbundene kostengünstige Auswerteschaltung sowie Signalbewertung

Durch all diese Merkmale wird erreicht, daß die erfindungsgemäße Lösung den komplexen Anforderungen einer schnellen, fehlerstabilen aber auch wirtschaftlichen Prüfung und/oder Bewertung der Kavitationsstärke im Rahmen von Körperschallmessung insbesondere bei industriellen Anwendungen gerecht wird.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1: ein mikromechanischen resonanten Vibrationssensors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2a–c: Richtung der Stoßanregung (oben) und die ersten drei Bewegungsmoden (unten)
a) Grundmode, b) 1. Bewegungsmode des Grundmodes und c) Torsionsmode,
3a–d: Körperschallanalyse mit einem mikromechanischen resonanten Vibrationssensor
a) Signale ohne und b) mit Kavitation sowie c) Spektren mit und d) ohne Kavitation.
Die in 1 dargestellte Anordnung besteht aus einer, aus einem Silizium-Grundsubstrat 1 herausgearbeiteten, schwingungsfähigen Silizium-Feder-Masse-Struktur bzw. Si-Resonator 2 und einer Signalwandlungskomponente 3, in diesem Fall einer integrierten piezoresistiven Wheaston'schen Meßbrücke.
Die gefertigte Siliziumstruktur wurde für drei Resonanzstellen (Grundmode und 1. Bewegungsmode sowie den Grundmode der Torsion) ausgelegt.
Das Sensorsignal setzt sich im wesentlichen aus der Überlagerung der Signalkomponenten der oben angeführten Bewegungsmoden zusammen. Bei gleichzeitiger Anregung der einzelnen Moden zeigt sich ihre gegenseitige Beeinflussung. Diese Modenkopplung beruht im wesentlichen darauf, daß die angeregte Torsionsschwingung auf die Vertikalbewegung im Grundmode rückwirkt und so ihren Anteil an der Schwingungsamplitude verringert, gleiches gilt für den 1. Bewegungsmode.
2 zeigt schematisch die Hauptanregungsrichtungen der ersten drei Bewegungsmoden. Die Trennung der Einzelmoden im elektrischen Signal erfolgt über schmalbandige Filter (Bandpässe). Zum besseren Verständnis des Verfahrens sollen die folgenden Abbildungen dienen: Als Bewertungskriterium dienen in diesem Ausführungsbeispiel die Amplitudenverhältnisse von Grundfrequenz und Torsionsmode bzw. Grundfrequenz und erstem Bewegungsmode. Im Normalbetrieb der Pumpe ist das Signal des mikromechanischen resonanten Vibrationssensors (3a) deutlich durch seine Grundfrequenz bestimmt. Bei auftretender Kavitation wird das Sensorsignal durch höhere Frequenzanteile dominiert (3b). Gleichzeitig ist dabei die Grundfrequenz durch die Kopplung der Schwingungsmoden stark gestört.
Bei Fehlen der Kavitation wird neben anderen Bewegungsmoden hauptsächlich die Grundfrequenz des Resonators angeregt (3c). Tritt Kavitation ein, kommt es zu einer deutlichen Änderung des Schwingungsverhaltens. So werden neben der Grundfrequenz weitere Bewegungsmoden, wie der 1. Bewegungsmode und der Grundmode der Torsionsschwingung, verstärkt angeregt (3d).
Aus der Kenntnis der Richtungsselektivität der unterschiedlichen Moden kann man davon ausgehen, daß bei Kavitation neben den hauptsächlich senkrecht zur Flächennormalen ausgeführten Schwingungen laterale Komponenten hinzukommen.

Claims

Verfahren zur Kavitationsdetektion an hydraulischen Geräten wie Kreiselpumpen, Strömungsmaschinen, Armaturen oder dergleichen, bei dem die Signalamplituden höherer Bewegungsmoden eines schwingungsfähigen Feder-Masse-Dämpfungssystem ausgewertet werden, gekennzeichnet durch eine Bildung von den höheren Bewegungsmoden zugeordneten Signalamplitudenverhältnissen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalamplituden der Bewegungsmoden durch elektronische Filterschaltungen separiert werden und gleichzeitig die Dauer gemessen und gespeichert wird, bei der das Amplitudenverhältnis der untersuchten Bewegungsmoden des Feder-Masse-Dämpfungssystems einen kavitationstypischen Wert annimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorkopf, in dem sich das schwingungsfähige Feder-Masse-Dämpfungssystem befindet, starr mit dem überwachten hydraulischen Gerät verbunden wird und eine online Signalerfassung und Signalverarbeitung durchgeführt werden.