DE19942185A1

DE19942185A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströmen

Info

Publication number: DE19942185A1
Application number: DE1999142185
Authority: DE
Original assignee: LINATOR AG LIESTAL
Current assignee: LINATOR AG LIESTAL
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2001-03-15

Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, mit dem versorgungsseitig Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströme in technischen Anlagen ohne Kenntnis des angeschlossenen Systemvolumens ermittelt und als Messwert zur Verfügung gestellt werden können. DOLLAR A Diese wird dadurch erzielt, dass mittels einer zusätzlichen in der Messanordnung befindlichen Referenzleckage ein bekannter Referenzleckagestrom erzeugt wird, der dann durch Verrechnung mit den zugehörigen Druckabfallzeiten im System zum tatsächlichen Leckagevolumenstrom führt.

Description

In Anlagen, die komprimierte oder evakuierte Gase transportieren, speichern oder als Energie träger nutzen, existiert permanent ein Leckagerisiko. Leckage lässt sich nur in den seltensten Fällen völlig vermeiden: Armaturen, Fiftings oder Aktoren besitzen immer Dichtungen, die von Natur aus oder durch Alterungs- und/oder Verschleissprozesse eine vollständige Dicht wirkung nicht oder nicht mehr erreichen. Leckage verursacht immer Kosten, da das entwiche ne Medium mit Energieaufwand nachgespeist werden muss. Leckage kann Schäden verursa chen, wenn das Gas z. B. umweltschädlich oder explosiv ist. Leckage kann zudem Schäden erzeugen, wenn in Produktionsanlagen aufgrund einer zu großen Leckage eine Fehlfunktion eintritt, insbesondere dann, wenn dies nicht schnell bemerkt werden kann.

Es ist daher vor allem in größeren Maschinen oder räumlich ausgedehnten Anlagen (im weite ren auch "System" genannt) von hohem Interesse, die Leckage zu messen, um beim Über schreiten von Grenzwerten schnellstens Alarm geben zu können. Der ideale Ort für ein derar tiges Überwachungsinstrument ist die Versorgungsstelle als Quelle des komprimierten oder evakuierten Gases.

Als Beispiel sei an dieser Stelle eine Streckmaschine in der Textilindustrie genannt. In solchen Maschinen werden versponnene Fäden gestreckt, um ihnen höhere Reißfestigkeit zu verleihen. Dies geschieht dadurch, dass der Faden zwischen zwei Förderbändern geführt wird, von denen das eine etwas schneller läuft als das andere. Dadurch wird auf den Faden eine Scherkraft in Längsrichtung ausgeübt, die den gewünschten Effekt erzielt. Eine wichtige Qualitäts-Einfluss größe ist dabei die Anpresskraft der Förderbänder auf den Faden. In heutigen Maschinen wird diese Kraft mittels eines pneumatischen Balgzylinders erzeugt, der mit einem vorbestimmten aber veränderlichen Luftdruck beaufschlagt wird. In einer einzigen Streckmaschine befinden sich meist mehrere 100 einzelner Streckstationen und die gleiche Zahl von Balgzylindern, die im allgemeinen alle mit dem gleichen Druck beaufschlagt sind. Wenn einer dieser Balgzylin der undicht wird, kann dies zunächst nur schwer erkannt werden, da diese Maschinen sehr groß, sehr laut und unübersichtlich sind. Andererseits führt der defekte Zylinder an seiner Streckstation zu einer mangelhaften Produktqualität, die oft erst viel später erkannt wird. Es ist also wichtig, diese Leckage schnell und zuverlässig zu erkennen.

Üblicherweise wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in die Versorgungseinrichtung ein handelsübliches Durchflussmessgerät in die zuführende Leitung in Serie eingebaut wird, das die aus dem Versorgungsdruck dem System eingespeiste Gasmenge misst. Dabei muss aller dings die Größe des angeschlossenen Volumens des Systems genau bekannt sein, damit rech nerisch ermittelt werden kann, welcher Teil des zugeflossenen Volumens zur Druckerhöhung nötig war. Lediglich der dann übrigbleibende Rest ist die gesuchte Leckagemenge. Sehr oft ist jedoch in der Praxis das Volumen des Systems nicht oder nur ungenau bekannt, so dass die Messung sehr fehlerbehaftet ist. Hinzu kommt als wichtiger Nachteil, dass diese Durchfluss messgeräte, weil sie ja in Serie geschaltet sind, den maximal einzuspeisenden Volumenstrom durchleiten können müssen und deswegen oft für die meist viel kleineren Leckagevolumen ströme nur noch sehr schlechte Messgenauigkeiten liefern und dass sie vergleichsweise sehr teuer sind.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem ver sorgungsseitig Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströme in technischen Anlagen ohne Kenntnis des angeschlossenen Systemvolumens ermittelt und als Messwert zur Verfügung gestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer zusätzlichen in der Meßanordnung befindlichen Referenzleckage ein bekannter Referenzleckagestrom erzeugt wird, der dann durch Verrechnung mit den zugehörigen Druckabfallzeiten im System zum tatsächlichen Leckagevolumenstrom führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, die Folgendes zeigen:

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, und

Fig. 2 zeigt ein typisches Druck/Zeit-Diagramm.

Fig. 1 stellt das Prinzip in der praktischen Realisierung dar. Bei geschlossenem Versorgungs ventil 10, über das das System 3 mit dem Versorgungsdruck 1 versorgt wird, wird im Messge rät 2 kurzfristig das Referenzleckage-Ventil 11 geöffnet. Dadurch fließt durch die Referenz- Blende oder Düse 14 zum Bezugsdruck 4 (meistens der Umgebungsdruck) ein Volumenstrom, der bei Kenntnis des aktuellen mit Hilfe des Drucksensors 12 gemessenen Drucks im System 3 leicht vom Rechner 13 ermittelt werden kann. Diese Referenzleckage wird für einen be stimmten Zeitraum t1 (vgl. auch Fig. 2) geöffnet; wodurch gemeinsam mit der zu messenden System-Leckage (in Fig. 1 als Blende 5 dargestellt) ein Druckabfall Delta-P1 des Drucks im System 3 erzeugt wird. Nach Ablauf des Zeitraums t1 wird das Referenzleckage-Ventil 11 wieder geschlossen. Anschließend sinkt der Druck im System 3 aufgrund der nun nur noch vorhandenen System-Leckage (5) langsamer weiter. Nach Ablauf eines Zeitraums t2, der hier vereinfachend, aber nicht einschränkend, gleich t1 gesetzt wird, ist der Druck im System 3 dann um einen Druckabfall Delta-P2 abgesunken. Durch Berechnung gemäß der Formel:

im Rechner 13 steht der gewünschte Messwert zur Verfügung, der so auch ohne Kenntnis des tatsächlichen Systemvolumens korrekt im technischen Sinne (Fehler kleiner ca. 1%) ermittelt wird.

Dieses Messverfahren kann auch ohne Beschränkung auf gleiche Messzeiten ausgedehnt wer den. Dann lautet die allgemeine Formel:

Diese Formel zeigt auch unmittelbar einen weiteren einfachen Rechenweg, indem nämlich die Druckabfälle Delta-P1 und Delta-P2 gleich groß gewählt werden. Dann vereinfacht sich die Formel zu:

Es ist auch nicht zwingend, dass sich die Messphase t2 unmittelbar an die Referenzphase t1 anschließt. Dazwischen darf Zeit vergehen und es darf auch der verloren gegangene Druck wieder aus der Versorgung nachgespeist worden sein. Auch dürfen nach einer Referenzphase t1 viele Messphasen t2 folgen, die sich alle auf die eine Referenzphase t1 beziehen. Nur könnte sich in allen diesen Fällen die System-Leckage 3 durch einen plötzlichen Defekt gerade zwischen Referenzphase und Messphase verändert haben. Dann liefern die Formeln ein fal sches Ergebnis und es müssen daher bei einem veränderten Messergebnis zur Kontrolle eine neue Referenzphase t1 und eine sich sehr zeitnah anschließende neue Messphase t2 durchge führt werden.

Der Zusammenhang zwischen den Messzeiten t1 und t2 und den Druckabfällen Delta-P1 und Delta-P2 ist in Fig. 2 grafisch dargestellt.

Für eine ausreichende Rechengenauigkeit dieser Formeln muss jedoch vorausgesetzt werden, dass die tatsächlichen Drücke im System 3 in den beiden Zeiträumen t1 und t2 annähernd (d. h. im Bereich der gewünschten Messgenauigkeit) gleich groß sind und dass die Temperaturen jeweils annähernd gleich groß waren; ist eins von beiden nicht sicherzustellen, müssen diese jeweiligen tatsächlichen Größen noch korrigierend in die Formel eingebunden werden. Auf diese physikalisch dann vollständige Darstellung wird jedoch hier verzichtet, da dies dann letztlich die bekannte Allgemeine Gasgleichung wird.

Das Verfahren eignet sich auch zur Bestimmung eines gewollten Volumenstroms durch ein angeschlossenes System 3, da ein Leckagevolumenstrom nichts anderes ist als ein ungewollter Volumenstrom durch das angeschlossene System 3.

Zudem eignet sich das Verfahren auch für Unterdrucksysteme, bei denen der Versorgungs druck 1 niedriger als der Bezugsdruck 4 ist. Die Fig. 1 und die zugehörigen Erläuterungen gelten gleichermaßen, lediglich fließen die Volumenströme nicht von der Versorgung 1 zum Bezugsniveau 4 sondern umgekehrt.

Besonders elegant stellt sich das Verfahren dar, wenn der Rechner zusätzlich die Aufgabe der Druckregelung im System 3 zugewiesen bekommt. Ein Versorgungsdruck-Regler soll eine bestimmte Umkehrspanne Hysterese besitzen, um am Arbeitspunkt nicht permanent zwischen Füllen und Leeren hin und her zu schalten. Diese Hysterese kann bestens zur Leckagemessung genutzt werden. Zum Beispiel wird während der ersten Hälfte des Durchlaufens der Hysterese die Referenzleckage 12 zugeschaltet und während der zweiten Hälfte abgeschaltet. Oder ein erster Hysteresedurchlauf wird mit Referenzleckage durchgeführt, ein oder mehrere sich an schließende Hysteresedurchläufe ohne Referenzleckage. In diesen Fällen wirkt sich die Mes sung überhaupt nicht auf den Druck im System 3 aus, da dieser sich ja auch ohne die Messung innerhalb der Hysterese bewegen würde.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströmen in tech nischen Anlagen, die komprimierte oder evakuierte Gase speichern, transportieren oder als Energieträger verwenden, deren Volumen nicht unbedingt bekannt ist, und die auch größe re Ausdehnungen und/oder viele Einzelkomponenten besitzen können, gekennzeichnet durch

1. Bewirken einer definierten Referenzleckage für einen bestimmten ersten Zeitraum (t1);
2. Messen der sich während dieses ersten Zeitraums (t1) ergebenden ersten Druckdiffe renz (Delta-P1) im System (3);
3. Verschliessen der Referenzleckage nach Ablauf des ersten Zeitraums (t1);
4. Messen des sich während eines auf den ersten Zeitraum (t1) mittelbar oder unmittelbar folgenden zweiten Zeitraums (t2) ergebenden zweiten Druckdifferenz (Delta-P2); und
5. Berechnen der System-Leckage mittels der Formel:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Zeiträu me (t1, t2) gleich gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen der sich während des zweiten Zeitraums (t2) ergebenden zweiten Druckdifferenz (Delta-P2) dann abge schlossen wird, wenn die zweite Druckdifferenz (Delta-P2) gleich der gemessenen ersten Druckdifferenz (Delta-P1) geworden ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet durch

1. ein Referenzleckage-Ventil (11) und eine Referenz-Blende oder -Düse (14) od. dgl. Einrichtung zum Bewirken einer definierten Referenzleckage für einen bestimmten er sten Zeitraum (t1);
2. einen Drucksensor (12) od. dgl. Einrichtung zum Messen der sich während dieses er sten Zeitraums (t1) ergebenden ersten Druckdifferenz (Delta-P1) im System (3);
3. eine Referenzleckage-Ventil (11) und eine Referenz-Blende oder -Düse (14) od. dgl. Einrichtung zum Verschliessen der Referenzleckage nach Ablauf des ersten Zeitraums (t1);
4. einen Drucksensor (12) od. dgl. Einrichtung zum Messen des sich während eines auf den ersten Zeitraum (t1) mittelbar oder unmittelbar folgenden zweiten Zeitraums (t2) ergebenden zweiten Druckdifferenz (Delta-P2); und
5. eine Einrichtung (13) zum Berechnen der System-Leckage mittels der Formel:

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Referenz-Blende oder -Düse (14) ein handelsüblicher Durchflusssensor verwendet wird, der als Messbe reich nur den Referenzvolumenstrom abdecken muss.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ermittlung von Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströmen für mit Druckluft betriebene pneumati sche Anlagen handelsübliche Pneumatikbauteile umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ermittlung von Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströmen für mit Vakuum betriebene Anlagen handelsübliche Vakuumbauteile umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ermittlung von Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströmen für mit umweltgefährdenden oder ex plosiven Gasen betriebene Anlagen handelsübliche explosionsgeschützte Bauteile umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein richtung (13) zum Berechnen der System-Leckage zusätzlich die Aufgabe der Druckrege lung im System (3) übernimmt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Refe renzleckage-Ventil (11) gleichzeitig als Referenz-Blende oder -Düse (14) genutzt wird.