DE19942185A1 - Method and device for detecting leakage flow, real volume flow or real volume mass flow rates opens a reference leakage valve for a sort period in a measurement device detecting a volume flow rate with a computer. - Google Patents

Method and device for detecting leakage flow, real volume flow or real volume mass flow rates opens a reference leakage valve for a sort period in a measurement device detecting a volume flow rate with a computer.

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Abstract

A reference leakage valve (11) is opened for a sort period in a measurement device (2) as a supply valve (10) is closed for supplying a system with gas pressure (1). A volume flow rate easily detected by a computer (13) through knowing current pressure in a system measured by a pressure sensor (12) flows through a reference filter or nozzle (14) at a reference pressure (4), mostly environmental pressure.

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.In systems that transport, store or store compressed or evacuated gases as energy use carrier, there is always a risk of leakage. Leakage is rare Avoid cases completely: Valves, fiftings or actuators always have seals that a complete seal by nature or through aging and / or wear processes no effect or no longer achieve. Leakage always incurs costs because it escapes ne medium must be replenished with energy. Leakage can cause damage chen when the gas z. B. is environmentally harmful or explosive. Leakage can also damage generate if a malfunction occurs in production systems due to excessive leakage occurs, especially if this cannot be noticed quickly.

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.It is therefore especially in larger machines or spatially extended systems (in the wide ren also called "system") of great interest to measure the leakage in order to to be able to give an alarm as soon as limits are exceeded. The ideal place for a derar The monitoring tool is the supply point as the source of the compressed or evacuated gas.

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.An example of this is a stretching machine in the textile industry. In such Machines are stretched spun threads to give them higher tensile strength. This is done by passing the thread between two conveyor belts, one of which one runs a little faster than the other. This creates a shear force on the thread Longitudinal direction, which achieves the desired effect. An important quality influence The size is the pressing force of the conveyor belts on the thread. In today's machines this force is generated by means of a pneumatic bellows cylinder, which with a predetermined but variable air pressure is applied. Located in a single stretching machine usually several 100 individual stretching stations and the same number of bellows cylinders generally all are pressurized. If one of these bellows cylin If it leaks, this is difficult to recognize at first because these machines are very  large, very loud and confusing. On the other hand, the defective cylinder leads on it Stretching station to poor product quality, which is often only recognized much later. It is so it is important to recognize this leak quickly and reliably.

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.This object is usually achieved by inserting into the supply device commercial flow meter is installed in the supply line in series, the measures the amount of gas fed to the system from the supply pressure. Everything has to be done However, the size of the connected volume of the system must be known exactly It can be determined nernerically which part of the inflow volume to increase the pressure was necessary. Only the rest that remains is the amount of leakage sought. Is very often However, in practice the volume of the system is not known or is known only inaccurately, so that the Measurement is very faulty. Added to this is an important disadvantage that this flow measuring devices, because they are connected in series, the maximum volume flow to be fed must be able to pass through and therefore often for the usually much smaller leakage volumes currents only deliver very poor measuring accuracies and that they are comparatively very are expensive.

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.The invention is therefore based on the object, avoiding the from the prior art Known technical disadvantages to create a method and an apparatus with which ver on the supply side, leakage or usable volume or mass flows in technical systems without Knowledge of the connected system volume determined and available as a measured value can be put.

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.This object is achieved in that by means of an additional in the Measuring arrangement located reference leakage generates a known reference leakage flow which is then calculated by offsetting it against the associated pressure drop times in the system actual leakage volume flow.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, die Folgendes zeigen:The invention will be described below with reference to a preferred embodiment the accompanying drawing figures described, which show the following:

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, und Fig. 1 shows the basic circuit diagram of a measuring arrangement according to the invention, and

Fig. 2 zeigt ein typisches Druck/Zeit-Diagramm. Fig. 2 shows a typical pressure / time diagram.

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:
 Fig. 1 shows the principle in practical implementation. When the supply valve 10 is closed, via which the system 3 is supplied with the supply pressure 1 , the reference leakage valve 11 is opened briefly in the measuring device 2 . As a result, a volume flow flows through the reference orifice 14 to the reference pressure 4 (usually the ambient pressure), which can be easily determined by the computer 13 when the current pressure in the system 3, which is measured with the aid of the pressure sensor 12 , is known. This reference leakage is opened for a certain period of time t1 (see also FIG. 2); whereby, together with the system leakage to be measured (shown as orifice 5 in FIG. 1), a pressure drop Delta-P1 of the pressure in system 3 is generated. After the period t1, the reference leakage valve 11 is closed again. Then the pressure in system 3 drops more slowly due to the system leakage ( 5 ) that is now only present. After a period of time t2, which is set here to be t1 for simplification but not limitation, the pressure in system 3 then has decreased by a pressure drop Delta-P2. By calculation according to the formula:

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.The desired measured value is available in the computer 13 and is thus correctly determined in the technical sense (error less than approx. 1%) even without knowledge of the actual system volume.

Dieses Messverfahren kann auch ohne Beschränkung auf gleiche Messzeiten ausgedehnt wer­ den. Dann lautet die allgemeine Formel:
This measurement procedure can also be extended to the same measurement times without restriction. Then the general formula is:

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:
This formula also immediately shows another simple calculation method, namely that the pressure drops Delta-P1 and Delta-P2 are chosen to be the same size. Then the formula is simplified to:

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.It is also not imperative that the measurement phase t2 immediately follows the reference phase t1. In between, time may pass and the lost pressure may have been replenished from the supply. Many measurement phases t2 may also follow after a reference phase t1, all of which relate to the one reference phase t1. Only in all of these cases the system leakage 3 could have changed due to a sudden defect between the reference phase and the measurement phase. Then the formulas deliver a wrong result and therefore a new reference phase t1 and a very timely new measuring phase t2 have to be carried out if the measurement result changes.

Der Zusammenhang zwischen den Messzeiten t1 und t2 und den Druckabfällen Delta-P1 und Delta-P2 ist in Fig. 2 grafisch dargestellt.The relationship between the measuring times t1 and t2 and the pressure drops Delta-P1 and Delta-P2 is shown graphically in FIG. 2.

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.For sufficient calculation accuracy of these formulas, however, it must be assumed that the actual pressures in system 3 in the two periods t1 and t2 are approximately the same (ie in the range of the desired measurement accuracy) and that the temperatures were approximately the same in each case; If one of the two cannot be guaranteed, these respective actual values must be corrected in the formula. However, this physically complete representation is omitted here, since this ultimately becomes the known general gas equation.

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.The method is also suitable for determining an intended volume flow through a connected system 3 , since a leakage volume flow is nothing more than an unwanted volume flow through the connected 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.In addition, the method is also suitable for vacuum systems in which the supply pressure 1 is lower than the reference pressure 4 . FIG. 1 and the accompanying explanations apply equally, only the volume currents do not flow from the supply 1 to the reference level 4 but vice versa.

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.The method is particularly elegant when the computer is additionally assigned the task of pressure control in system 3 . A supply pressure controller should have a certain reversal hysteresis in order not to switch constantly between filling and emptying at the working point. This hysteresis can best be used for leakage measurement. For example, the reference leakage 12 is switched on during the first half of the hysteresis and switched off during the second half. Or a first hysteresis run is carried out with reference leakage, one or more subsequent hysteresis runs without reference leakage. In these cases, the measurement does not have any effect on the pressure in system 3 , since this would move within the hysteresis even without the measurement.

Claims (10)

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:
1.Procedure for determining leakage or usable volume or mass flows in technical systems which store, transport or use compressed or evacuated gases or use them as energy sources, the volume of which is not necessarily known, and which also have larger dimensions and / or many individual components can own, characterized by
  • 1. effecting a defined reference leakage for a specific first period (t1);
  • 2. Measuring the first pressure difference (delta-P1) in the system ( 3 ) which results during this first period (t1);
  • 3. closing the reference leakage after the end of the first period (t1);
  • 4. Measuring the second pressure difference (delta-P2) resulting during a second period (t2) directly or indirectly following the first period (t1); and
  • 5. Calculate the system leakage using the formula:
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Zeiträu­ me (t1, t2) gleich gewählt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the first and second time periods me (t1, t2) can be chosen the same. 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.3. The method according to claim 1, characterized in that the measuring during of the second time period (t2) resulting second pressure difference (Delta-P2) then abge is closed when the second pressure difference (Delta-P2) is equal to the measured first Pressure difference (Delta-P1) has become. 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:
4. Device for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized by
  • 1. a reference leakage valve ( 11 ) and a reference orifice or nozzle ( 14 ) or the like. Device for causing a defined reference leakage for a certain first time period (t1);
  • 2. a pressure sensor ( 12 ) or the like. Device for measuring the first pressure difference (delta-P1) in the system ( 3 ) that results during this first time period (t1);
  • 3. a reference leakage valve ( 11 ) and a reference orifice or nozzle ( 14 ) or the like. Device for closing the reference leakage after the end of the first period (t1);
  • 4. a pressure sensor ( 12 ) or the like. Device for measuring the second pressure difference (delta-P2) that arises directly or indirectly following the first period (t1) after the second period (t2); and
  • 5. a device ( 13 ) for calculating the system leakage using the formula:
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.5. The device according to claim 4, characterized in that a commercially available flow sensor is used instead of the reference orifice ( 14 ), which only has to cover the reference volume flow as a measuring region. 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.6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that it for determining Leakage or usable volume or mass flows for pneumatics operated with compressed air cal systems includes commercial pneumatic components. 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.7. The device according to claim 4 or 5, characterized in that it for determining Leakage or usable volume or mass flows for vacuum operated systems Commercially available vacuum components includes. 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.8. The device according to claim 4 or 5, characterized in that it for determining Leakage or useful volume or mass flows for with environmentally hazardous or ex Plosive gas operated systems includes commercially available explosion-protected components. 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.9. Device according to one of claims 4 to 8, characterized in that the device ( 13 ) for calculating the system leakage additionally takes on the task of pressure regulation in the system ( 3 ). 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.10. Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that the reference leakage valve ( 11 ) is simultaneously used as a reference orifice ( 14 ).
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