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Die Erfindung betrifft eine Pumpe zum Fördern von Medien, insbesondere eine Kreiselpumpe, enthaltend eine Welle zum Antreiben mindestens eines Rotationselements, die mittels einer Antriebseinrichtung antreibbar ist, und ein mit der Welle gekoppeltes Rotationselement, das in einem Abstand einem Gehäuseabschnitt der Pumpe gegenüberliegt.
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Viele Pumpen sind mit einer Vielzahl von rotierenden Teilen ausgestattet, die aufgrund ihres Verschleißes durch Wartung auf ihren funktionsfähigen Zustand hin untersucht werden müssen. Einen wichtigen Bereich stellt die Antriebswelle und die mit ihnen gekoppelten Teile wie ein Pumpenrad dar, die aufgrund der Belastungen einem besonders erhöhten Verschleiß unterliegen und beim erhöhten Verschleiß zum Ausfall der Pumpe führen kann. Als Gegenmaßnahme ist es daher üblich, die Pumpen regelmäßig zu warten, d. h. zu demontieren und den Verschleiß der Einzelteile zu untersuchen. Die Demontage, die Untersuchung der Einzelteile und die Instandsetzung der Pumpe sind nicht nur zeitaufwendig, sondern erfordern auch, dass die Anlage stillgelegt wird, in der die Pumpe verbaut ist. Des Weiteren hat die periodische Wartung der Pumpe den Nachteil, dass außerordentliche Mängel oder Schäden zwischen den Wartungsintervallen nicht erkennbar sind und trotz aller Sorgfalt zu Ausfällen der Pumpe führen.
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Ein Anwendungsbereich von Pumpen ist in der petrochemischen Industrie zu sehen. So kommen beispielsweise Hochleistungs-Pumpen zum Fördern von Chlorwasser oder anderen chemischen Substanzen in der chemischen Industrie zum Einsatz. Die Pumpen haben die Aufgabe, Chlorwasser über längere Zeiträume kontinuierlich 24 Stunden pro Tag, 365 Tage pro Jahr zu fördern. Die Antriebswelle kann dabei eine Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute aufweisen. Ein Elektromotor bildet die Antriebseinrichtung. Die Pumpe kann beispielsweise als sogenannte Kreiselpumpe mit einem rotierenden Pumprad ausgebildet sein. Angesichts dieser besonderen Anforderungen wird die Antriebs-Welle häufig mittels Gleitlagern schwimmend gelagert. Im Betrieb kommt es darauf an, dass ein genauer Abstand zwischen einem rotierenden Teil der Pumpe (Pumprad) und dem Pumpengehäuse, beispielsweise ein axiales Spiel innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird. Wird der Abstand unterschritten, kann es zu einem unerwünschten Kontakt, Verschleiß und ggf. einer Zerstörung von Teilen der Pumpe, insbesondere einer mit dem Schaufelrad verbundenen Scheibe kommen. Darüberhinaus ist der Abstand für die Förderleistung und den Druck in dem zu fördernden Medium bedeutsam. Bei unerwünschten Ausfällen der Pumpe können sehr hohe Kosten aufgrund eines Produktionsausfalls anfallen.
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Vor diesem Hintergrund ist eine Einhaltung eines bestimmten Abstandsmaßes innerhalb von Toleranzen und eine Verhinderung eines Kontaktes zwischen einem rotierenden Teil und dem Pumpengehäuse von hoher Bedeutung. Dabei kommt das Erschwernis hinzu, dass eine Kontrolle des Abstandes von außen nicht möglich ist oder nicht praktikabel.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Pumpe mit einer Mess- und Prüfvorrichtung aufzuzeigen, mittels dessen der Verschleiß rotierender Teile im laufenden Betrieb permanent überwachbar ist, um Wartungen der Pumpe nur bei gegebener Notwendigkeit durchführen zu müssen.
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Die Aufgabe wird mittels einer Pumpe der eingangs genannten Art gelöst mit einer Sensoreinrichtung beinhaltend mindestens eine Sensoreinheit, welche ein Positionssignal über die Position mindestens eines rotierenden Teils bereitstellt, mittels dessen der Abstand zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt bestimmbar ist.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe erlaubt mittels der Ermittlung der Position eines rotierenden im laufenden Betrieb den Abstand, beispielsweise ein Spaltmaß zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt festzustellen. Regelmäßige Wartungsmaßnahme ohne Kenntnis über den Zustand des Verschleißes sind somit überflüssig. Wartungen können dadurch erst dann durchgeführt werden, wenn sie notwendig sind. Je nach Bauart der Pumpe kann es günstiger sein, die Sensoreinrichtung so auszulegen, dass der Abstand des Rotationselements zum Gehäuseabschnitt direkt über die Position des Rotationselementes oder indirekt über die Position anderer rotierender Teile der Pumpe zu bestimmen, dessen Position eine Korrelation zum Abstand zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt zulässt. Rotierende Teile sind beispielsweise die Welle und andere Teile, die mit der gekoppelt sind. In jedem Fall wird die Position eines rotierenden Teils permanent gemessen und als Signal bereitgestellt, woraus der Abstand zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt bestimmbar ist. Dies erlaubt eine sehr variable Anpassung der Sensoreinrichtung je nach Gegebenheit der Pumpe. Die Erfindung kann bevorzugt bei industriellen Kreiselpumpen zur Förderung aggressiver Medien wie Chlorwasser zum Einsatz kommen. Mittels des von der Sensoreinrichtung bereitgestellten Positionssignals lässt sich kontinuierlich oder in kurzen Intervallen ein Abstands- oder Spaltmaß zwischen einem rotierenden Teil der Pumpe und dem Pumpengehäuse bestimmen. Hierzu kann mittels geeigneter Auswerteeinrichtungen und Rechenalgorithmen anhand des Positionssignals und ggf. weiterer Parameter eine Berechnung des Spaltmaßes (Abstandes) vorgenommen werden. Insbesondere kann mittels der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung auch eine axiale Position der Antriebswelle ermittelt werden und ein entsprechendes Positionssignal bereitgestellt werden, mit dessen Hilfe an einer anderen Stelle der Pumpe der Abstand zwischen einem rotierenden Teil, beispielsweise einer rotierenden Scheibe oder einem Laufrad und dem Pumpengehäuse festgestellt werden kann.
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Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe, dessen Sensoreinrichtung mit einem Abschnitt der Welle zusammenwirkt. Mittels dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine besonders variable Anpassbarkeit der Sensoreinrichtung an die Pumpe erreicht. Die Sensoreinrichtung kann prinzipiell mit einem beliebigen Abschnitt der Welle zusammenwirken und daher an einer Vielzahl von möglichen Positionen platziert werden. Vorteilhaft ist es, die Sensoreinrichtung an einem Abschnitt der Welle bereitzustellen, der einerseits aus messtechnischen Gesichtspunkten zur Bestimmung des Abstandes geeignet ist und andererseits sich konstruktiv einfach realisieren lässt. Diese Gegebenheiten sind bei der Welle in einem stärkeren Maße vorhanden als bei anderen rotierenden Teilen der Pumpe.
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Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe, dessen Sensoreinrichtung die – axiale – Verschiebung des Abschnitts ermittelt. Mittels dieser Ausführungsform wird auf vorteilhafte Weise die Bestimmung des Abstandes zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt im laufenden Betrieb ermöglicht.
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Aufgrund der Kopplung des Rotationselementes mit der Welle lassen sich Rückschlüsse auf die axiale Verschiebung des Rotationselements treffen, sofern die axiale Verschiebung eines Abschnitts der Welle bekannt ist. Ursachen der axialen Verschiebung sind beispielsweise Toleranzen in der Lagerung, Dehnung der Welle oder Verschleiß der Lagerung. Die Bestimmung des Abstandes mittels der Verschiebung des mit der Sensoreinrichtung zusammenwirkenden Abschnitts der Welle vereint die Vorteile der günstigen Anbringung der Sensoreinrichtung im Bereich der Welle mit den Vorteilen der zuverlässigen Ermittlung der Verschiebung des Wellenabschnitts.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Pumpe, bei der die Verschiebung des Abschnitts im Bereich weniger Millimeter liegt, ist es möglich auch feine Änderungen des Abstands zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt zu bestimmen und wenn notwendig Maßnahmen zu treffen.
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Vorteilhaft ist auch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe mit einem ferromagnetischen Material im Inneren der Welle. Auf diese Weise wird besonders einfach der Abschnitt definiert, der zum Zusammenwirken mit der Sensoreinrichtung vorgesehen ist. Die Sensoreinrichtung muss in so einem Falle nur auf das ferromagnetische Material ausgerichtet werden. Das ferromagnetische Material ist beispielsweise von einem Eisenkern ausgebildet, der innerhalb einer zur Welle koaxialen Bohrung eingeschlossen ist. Möglich wäre auch eine Komposition der Welle aus mehreren Materialien mit unter anderem einem ferromagnetischen Material.
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Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe mit der Sensoreinrichtung, die eine Magnetsensoreinheit beinhaltet, die mit dem ferromagnetischen Material zusammenwirkt, um die Verschiebung des ferromagnetischen Materials zu ermitteln. Das Zusammenwirken der Magnetsensoreinheit mit dem ferromagnetischen Material der Welle erlaubt eine besonders genaue und präzise Ermittlung der axialen Verschiebung der Welle. Der Magnetsensor ist so ausgelegt, dass er hinsichtlich des Magnetfeldes des ferromagnetischen Materials ausgerichtet ist und somit von weiteren Magnetfeldern nicht beeinflusst wird. Der Sensor kann in Form eines induktiven Sensors, aber auch als Magnetfeldsensor ausgebildet sein. Beide erkennen die Änderung des Magnetfelds des ferromagnetischen Materials, woraus sich die axiale Positionsänderung des Abschnitts der Welle und somit auch die axiale Verschiebung der Welle bestimmen lässt. Das Messverfahren erfolgt berührungslos, so dass der Betrieb der Pumpe nicht beeinflusst wird bzw. die Messung unabhängig vom Betriebszustand der Welle durchführbar ist.
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Ferner ist eine Ausführungsform der Pumpe mit einer Sensoreinrichtung vorteilhaft, die eine Sensoreinheit beinhaltet, welche die Temperatur der Welle ermittelt. Auf diese Weise wird eine besonders präzise Bestimmung der axialen Verschiebung der Welle ermöglicht. Neben der axialen Verschiebung der Welle aufgrund von mechanischen Gegebenheiten, wie zum Beispiel Spiel in der Lagerung oder Verschleiß, wird auch die Dehnung der Welle aufgrund von thermischen Einflüssen mit berücksichtigt. Hierzu stellt die Messung der Temperatur der Welle einen wesentlichen Parameter dar, der in die Berechnung mit einfließen kann.
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Besonders vorteilhaft ist ferner eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe, bei der das ferromagnetische Material und die Sensoreinrichtung in einem Endbereich der Welle angeordnet sind. Diese Anordnung des ferromagnetischen Materials und der Sensoreinrichtung erlaubt zum einen günstigen Einbau des ferromagnetischen Materials innerhalb der Welle und zum anderen geringere Störeinflüsse bei der Ermittlung der axialen Verschiebung mit der Welle. Wellen sind üblicherweise in den Endbereichen gelagert, so dass sie an diesen Stellen eine höhere Biegesteifigkeit aufweisen. Diese Eigenschaft ist nicht nur von Vorteil zum Schutz des ferromagnetischen Materials innerhalb der Welle gegen Verbiegung, sondern minimiert auch den Einfluss axialer Verschiebungen aufgrund von Verbiegungen der Welle.
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Ferner ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe bevorzugt, bei der ein Pumpenrad und eine Druckscheibe mit der Welle gekoppelt sind und die Druckscheibe gegenüber einem Lagerflansch angeordnet ist. Der zu bestimmende Abstand zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt ist durch den Spalt zwischen der Druckscheibe und dem Lagerflansch definiert. Der Abstand zwischen der Druckscheibe und dem Lagerflansch beträgt wenige Millimeter und führt bei axialer Verschiebung der Welle in einem unzulässigen Ausmaß zur Schädigung und möglicherweise auch zum Ausfall der Pumpe. Aus diesen Gründen ist es wichtig und vorteilhaft diesen Abstand auch permanent während des laufenden Betriebs zu bestimmen.
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Vorteilhaft ist daher auch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe, dessen Sensoreinrichtung mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, mittels derer aus dem von der Sensoreinrichtung bereitgestellten Signal der Spalt zwischen der Druckscheibe und dem Antriebsflansch berechenbar ist. Die Auswerteeinheit ermöglicht eine automatische Weiterverarbeitung der Signale der Sensoreinrichtung, so dass sich der Abstand zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuseabschnitt bestimmen lässt. Die Signale der Sensoreinheit sind sowohl kabellos als auch über ein Kabel an die Auswerteeinheit übertragbar.
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Ferner ist auch eine erfindungsgemäße Pumpe mit einer Auswerteeinheit vorteilhaft, die mit einer Kontrolleinrichtung verbunden ist, die bei Über- oder Unterschreiten eines Abstandsgrenzwertes eine akustische oder visuelle Warnung ausgibt. Auf diese Weise wird der Benutzer rechtzeitig darauf hingewiesen entsprechende Maßnahmen zu treffen, die eine Schädigung bzw. den Ausfall der Pumpe verhindern. Ein Über- oder Unterschreiten des Abstandsgrenzwerts hat ferner Leistungsabfall zur Folge, der durch Wartungsmaßnahmen behebbar ist.
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Desweiteren ist eine erfindungsgemäße Pumpe bevorzugt, dessen Antriebseinrichtung die Welle umschließend als ein in die Pumpe integrierter Elektroantrieb ausgeführt und koaxial zur Welle angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform der Pumpe wird eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht. Insbesondere das Zusammenwirken der Sensoreinrichtung mit dem ferromagnetischen Material erlaubt eine einwandfreie Funktionsweise der Sensoreinrichtung trotz des Magnetfelds des Elektroantriebs im Bereich der Welle.
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Ferner ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Pumpe mit einer Welle vorteilhaft, die von dem zu fördernden Medium umschlossen ist. Auf diese Weise wird eine einfache Schmierung und Kühlung der Welle ermöglicht.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pumpe beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht der gesamten Pumpe
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2 ein Blockschaltbild der Pumpe im Zusammenhang mit der Sensoreinrichtung, Auswerteeinrichtung und Kontrolleinrichtung.
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1 zeigt eine Kreiselpumpe 1 zum Fördern von Medien mit zwei Gehäusehälften 2, 4. In der oberen Gehäusehälfte 2 der Kreisel-Pumpe 1 befindet sich eine Antriebs – Welle 6, eine Antriebseinrichtung 20, eine Stromversorgung 24 und eine Sensoreinrichtung 10.
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Die Welle 6 ist koaxial zur oberen Gehäusehälfte 2 ausgerichtet und an ihren Enden mittels Gleitlagern 7, 8 rotierbar gelagert. Die Welle 6 ist in axialer Richtung nur innerhalb des Spiels der Gleitlager 7, 8 beweglich. In diesem Ausführungsbeispiel hat das Spiel die Größenordnung weniger Millimeter. Das untere Gleitlager 8 ist innerhalb eines Lagerflansches 36 eingebaut, der an die untere Gehäusehälfte 4 und an dem Bereich angrenzt, in dem das Medium gefördert wird. Das Medium befindet sich sowohl in der oberen als auch in der unteren Gehäusehälfte 2, 4, so dass die Welle 6 von dem zu fördernden Medium umschlossen ist. In diesem Ausführungsbeispiel der Kreiselpumpe 1 übernimmt das zu fördernde Chlorwasser zugleich eine Kühlfunktion und Schmierfunktion der Gleitlager 7, 8. Die Welle 6 treibt das Pumpenrad 32 und einer Druckscheibe 30 an und ist hierzu mittels einer Passfeder 9 mit dem Pumpenrad 32 und der Druckscheibe 30 gekoppelt.
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Die Druckscheibe 30 und das Pumpenrad 32 sind innerhalb der unteren Gehäusehälfte 4 angeordnet und befinden sich unmittelbar in dem zu fördernden Medium. Auch in der unteren Gehäusehälfte 4 enthalten ist der Eingang 37 und Ausgang 38 der Pumpe 1 für das Medium. Die Druckscheibe 30 ist zwischen dem Pumpenrad 32 und dem Lagerflansch 36 angeordnet und weist eine konusartige Form auf. Die schräge Fläche der Druckscheibe 30 ist dem Lagerflansch 36 zugewandt, wobei die gegenüberliegende Fläche des Lagerflansches eine zu der Druckscheibe komplementäre Form aufweist. Der Abstand oder Spalt 39 zwischen der Druckscheibe 30 und dem Pumpenrad 32 liegt in einem Bereich von wenigen Millimetern. Die geringe Abmessung des Spaltes führt bei Rotation der Druckscheibe 30 zu einem Druckunterschied in der Flüssigkeit innerhalb und außerhalb des Spalts 39, so dass die Flüssigkeit über Kanäle 34 in der Druckscheibe und im Pumpenrad 32 gefördert wird. Dieser Spalt 39 definiert zugleich den Abstand, der mittels der durch die Sensoreinrichtung 10 bereitgestellten Signale zu bestimmen ist.
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Ein ferromagnetisches Material in Form eines Eisenkerns 16, ist innerhalb der Welle 6 enthalten. Der Eisenkern 16 ist innerhalb einer Bohrung im oberen Endbereich der Pumpe 1 koaxial zur Welle 6 eingebracht und mittels eines Verschlusses 18 gegenüber seiner Umgebung abgedichtet. Ferner ist der Eisenkern 16 zur Welle 6 nicht relativ beweglich. Hierzu weist der Eisenkern 16 einen weitgehend identischen Durchmesser zur Bohrung auf. Andererseits verhindert der Verschluss 18 zusätzlich die axiale Verschiebung des Eisenkerns relativ zur Welle 6. Die axiale Abmessung und Positionierung des Eisenkerns wird dadurch festgelegt, dass es mit einer Magnetsensoreinheit 12 der Sensoreinrichtung 10 zusammenwirken kann, um die Verschiebung des ferromagnetischen Materials (16) zu ermitteln.
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In 1 ist die Magnetsensoreinheit 12 schematisch abweichend von der tatsächlichen Form als ein Stabelement eingezeichnet. Die Magnetsensoreinheit 12 ist diagonal innerhalb der oberen Gehäusehälfte 2 platziert und so angeordnet, dass die Spitze der Magnetsensoreinheit 12 sich im Bereich der Welle 6 befindet, wo auch der Eisenkern 16 enthalten ist. Der Abstand zwischen der Magnetsensoreinheit 12 und der Welle ist groß genug, so dass zwischen der Welle 6 und der Magnetsensoreinheit 12 kein Kontakt entsteht. Die Magnetsensoreinheit 12 ermittelt die Magnetfeldänderungen des Eisenkerns 16, die aus der axialen Verschiebung der Welle 6 und damit des Eisenkerns 16 resultieren, woraus die Verschiebung oder Positionsänderung eines Punktes der Welle ermittel ist. Nicht in 1 zu sehen ist eine Bohrung in der oberen Gehäusehälfte 2, durch welche die Magnetsensoreinheit 12 in den Innenbereich der Pumpe nah an die Welle 6 einbringbar ist. Die Bohrung ist nach außen abgedichtet und verhindert einen Austritt von Medien, insbesondere Flüssigkeiten, nach außen.
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Eine Temperatursensoreinheit 14 der Sensoreinrichtung 10, welche die Temperatur der Welle 6 ermittelt, ist vorgesehen. Sie ist optional gegenüber der Magnetsensoreinheit 12 angeordnet. Die Temperatursensoreinheit 14 wird durch eine Bohrung in der oberen Gehäusehälfte 2 in den Innenbereich der Pumpe 1 eingeführt und ist so angeordnet, dass die Spitze der Temperatursensoreinheit 14 sich nah zu der Welle 6 befindet. In 1 ist die Magnetsensoreinheit 12 und die Temperatursensoreinheit 14 winklig oder schräge angeordnet. Denkbar wären auch horizontale Anordnungen beider Teile. Sowohl von der Temperatursensoreinheit 14 als auch von der Magnetsensoreinheit 12 verlaufen Verbindungen zum Übertragen der erzeugten Signale zu einer Auswerteeinheit 40 und Kontrolleinrichtung 42. Die Verbindungen sind in 2 schematisch in einem Blockschaltdiagramm dargestellt.
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Die Antriebseinrichtung 20 ist als integrierter Elektroantrieb in Form eines Gleichstrommotors ausgeführt und koaxial zur Welle 6 angeordnet ist. Die Antriebseinrichtung 20 umschließt die Welle 6 und ist durch eine dünne Trennwand 28 von der Welle 6 getrennt. Zur Energieversorgung und Steuerung der Antriebseinrichtung 20 befinden sich Versorgungsanschlüsse 24 im Bereich der Sensoreinrichtung 10, die in einer Anschlussbuchse 26 untergebracht sind.
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Zum Bestimmen des Abstands oder Spaltes 39 zwischen der Druckscheibe 30 und dem Lagerflansch 36 wirkt die Sensoreinrichtung 10 mit einem Abschnitt der Welle 6 zusammen, in welcher sich der Eisenkern 16 befindet, und zwar so, dass die Sensoreinrichtung 10 die Position bzw. Verschiebung des Abschnitts der Welle 6 ermittelt, vgl. hierzu 2. Die Verschiebung des Abschnitts liegt bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich weniger Millimeter und kann sich je nach Pumpentyp und -abmessung unterscheiden. Einerseits ermittelt die Magnetsensoreinheit 12 die axiale Verschiebung der Welle 6 mittels Veränderungen des Magnetfelds des Eisenkerns 16. Des Weiteren ermittelt die Temperatursensoreinheit 14 die Temperatur der Welle 6.
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Die ermittelten Werte werden als Signal an die Auswerteeinheit 40 übermittelt. Die Auswerteeinheit 40 bestimmt den axialen Abstand der Druckscheibe 30 aus den beiden Werten der Sensoreinrichtung 10 durch Anwendung und von Algorithmen bzw. Formeln, welche es erlauben durch Berücksichtigung der Dehnung und der axialen Verschiebung der Welle 6 auf den axialen Abstand der Druckscheibe 30 zum Lagerflansch 36 zu schließen.
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Mittels der Kontrolleinrichtung 42 ist der zuvor bestimmte Abstand 39 der Druckscheibe 30 mit Grenzwerten abgleichbar, die einen erlaubten Abstandsbereich zwischen der Druckscheibe 30 und dem Lagerflansch 36 definieren. Hierzu übermittelt die Auswerteeinheit 40 den axialen Abstand 39 der Druckscheibe 30 zum Lagerflansch 36 an die Kontrolleinrichtung 42. Bei Über- oder Unterschreiten eines Abstandsgrenzwertes gibt die Kontrolleinrichtung 42 eine akustische oder visuelle Warnung aus. Denkbar wäre auch ein Ausführungsbeispiel mit einer Vorrichtung, welche die Funktionen der Auswerteeinheit 40 und der Kontrolleinrichtung 42 vereint.
