DE3609701A1 - Verfahren zur ueberwachung der gasmenge in einem hydropneumatischen druckspeicher und einrichtung zur ausuebung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur ueberwachung der gasmenge in einem hydropneumatischen druckspeicher und einrichtung zur ausuebung des verfahrens

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Gasmenge in einem hydropneumatischen Druckspeicher durch Messung der während eines bei einem bestimmten Mindestdruck einsetzenden Druckanstiegs erfolgenden Volumenzunahme der Hydraulikflüssigkeit, durch Messung des Hydraulikdrucks und durch eine von der Volumenzunahme und dem Druckanstieg abhängige Singnalabgabe bei nicht ausreichender Gasmenge.
Bei einem solchen, beispielsweise aus der DE-PS 15 25 857 bekannten Verfahren wird indirekt von der Füllmenge und dem Druckanstieg auf die im Speicher vorhandene Gasmenge geschlossen, wobei entweder die zu einer bestimmten Füllmenge zugehörige größte zulässige Druckdifferenz oder aber die zu einer bestimmten Druckdifferenz zugehörige kleinste zulässige Füllmenge erfaßt wird.
Bei einem anderen, beispielsweise aus der DE-OS 22 40 394 bekannten Verfahren zur indirekten Gasüberwachung wird ein Mindestgasvolumen durch einen inneren Anschlag im Druckspeicher festgelegt. Fährt ein im Druckspeicher freilaufender Kolben beim Nachfüllen gegen diesen Anschlag, so fördert die Pumpe quasi gegen eine feste Wand und erzeugt einen steilen Druckanstieg. Bei diesem Verfahren wird indirekt von einem Druckwert auf die im Speicher vorhandene Gasmenge geschlossen.
Bei den bekannten Ausführungsformen ist eine Temperaturkompensation der das Signal auslösenden Meßwerte nicht vorgesehen. Vielmehr ist in allen Anwendungsfällen hydropneumatischer Speicher das Mindestgasvolumen im Hinblick auf die zu erwartende tiefste Temperatur der Umgebung bzw. des Gases bemessen. Dieses vom Kolben begrenzte Mindestgasvolumen bedingt beim Laden und Entladen des Speichers jedoch für verschiedene Umgebungstemperaturen unterschiedliche Kolbenstellungen, die deshalb bei der Gasüberwachung von hydropneumatischen Speichern unter Umständen temperaturbedingte Fehlsignale auslösen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine indirekte Gasüberwachung zu schaffen, mit der bei beliebigem Gasmengenvorrat im Druckspeicher, insbesondere aber im Bereich der für die Funktionsfähigkeit notwendigen Gasmenge, bei allen betriebsmäßigen Umgebungstemperaturen zuverlässige Signale für den Füllzustand des Druckspeichers erhalten werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Erfassung der Temperatur der Gasmenge, durch die Ermittlung eines dem Verhältnis der Gastemperatur zum Mindestdruck proportionalen Richtwertes für die Volumenzunahme und durch einen Vergleich der den Druckanstieg bewirkenden Volumenzunahme mit diesem Richtwert.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich durch eine Erfassung der Temperatur der Gasmenge das für einen Entlade- und Ladevorgang des Speichers notwendige Gasvolumen feststellen und davon abhängig ein Signal gewinnen, das den Füllzustand des Druckspeichers eindeutig signalisiert.
Zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich eine Einrichtung als vorteilhaft erwiesen, bei der ein Impulsgeber an der Pumpenwelle einer Hydraulikpumpe angeordnet ist, die vom Mindestdruck ab bis zu einem Höchstdruck die Hydraulikflüssigkeit in den Druckspeicher fördert. Dabei gibt der Impulsgeber pro Wellenumdrehung eine konstante Impulszahl ab, wobei das während eines Pumpvorganges abgegebene Impulssignal ein Maß für die Volumenzunahme bildet.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann die Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Meßsignale für Druck und Temperatur und die abgegebenen Impulse eingangsseitig einem Mikrocomputer zuführen, der zweckmäßig aus den Impulsen die Volumenzunahme berechnet, dem Temperaturmeßsignal einen bestimmten Richtwert für die Volumenzunahme zuordnet, die Volumenzunahme mit ihrem Richtwert vergleicht und entsprechend dem Vergleichsergebnis ein Signal abgibt.
In Anwendungsfällen von hydropneumatischen Druckspeichern zum Antrieb elektrischer Hochspannungs-Leistungsschalter ist es vorteilhaft, wenn der Mikrocomputer bei einer über dem Richtwert liegenden Volumenzunahme ein Funktionssignal abgibt, das dem Betreiber des Leistungsschalters die Funktionsfähigkeit des Druckspeichers signalisiert. Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn der Mikrocomputer bei einem dem Richtwert entsprechenden Volumenzunahme ein Warnsignal abgibt, das dem Betreiber einen eindeutigen Hinweis darauf gibt, daß in unmittelbarer Zukunft eine Wartung oder eine Reparatur des hydropneumatischen Druckspeichers fällig wird. Zur Vermeidung unzulässiger Betriebshandlungen, z. B. wegen zu geringem Energieinhalt nicht erlaubte Entladevorgänge des hydropneumatischen Druckspeichers, gibt der Mikrocomputer bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens bei einer unter dem Richtwert liegenden Volumenzunahme ein Sperrsignal ab, das die Funktionen des Druckspeichers und des davon gesteuerten Geräts sperrt.
Bei allen Ausführungsbeispielen kann es von Vorteil sein, wenn der Mikrocomputer die die Volumenzunahme der Hydraulikflüssigkeit bestimmende Pumpe steuert.
Anhand der Zeichnung in der Figur wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der Gasmenge in einem hydropneumatischen Druckspeicher erläutert und eine Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens in ihrer Wirkungsweise beschrieben.
In der Figur ist ein Druckspeicher Sp dargestellt, in dem sich ein frei fliegender Kolben K befindet. Auf der Ölseite wird der Speicher Sp von einer Pumpe Pu aus einem Vorratsbehälter V mit Hydraulikflüssigkeit geladen. Der Speicher Sp stellt für ein Gerät G, beispielsweise einen elektrischen Druckgasschalter, die Antriebsenergie zur Verfügung. Die Pumpe Pu wird von einem Motor M angetrieben. Auf einer Pumpenwelle PW befindet sich ein Impulsgeber IP. In der Verbindungsleitung zwischen Pumpe Pu und Speicher Sp ist ein Drucksensor PS angeordnet, der den Hydraulikdruck P erfaßt. In unmittelbarer Nähe des Gasraumes des Speichers Sp befindet sich ein Temperatursensor TS, der die Umgebungs- bzw. Gastemperatur T erfaßt.
Zur besseren Verdeutlichung sind in der Figur die Wege der analogen Signalübertragung einfach und die der digitalen doppelt ausgezogen. Leitungen für Hydraulikflüssigkeit sind dick ausgezogen.
Das Drucksignal des Drucksensors Ps wird einem Analog- Digital-Umsetzer ADU 1 und das Temperatursignal des Temperatursensors TS einem Analog-Digital-Umsetzer ADU 2 zugeführt und digitalisiert. Die Werte beider Umsetzer werden kontinuierlich über einen Multiplexer MP abgefragt und einem Ein- und Ausgabewerk EAW zugeführt. Weiterhin werden diesem Ein- und Ausgabewerk EAW die Impulse I des Impulsgebers IP zugeführt.
Das Ein- und Ausgabewerk EAW leitet die digitalen Daten einem Steuerwerk SW zu. Dieses Steuerwerk SW steht mit einem Arbeitsspeicher AS und einem Rechenwerk RW in Verbindung. Weiterhin steuert es einen Programmspeicher PS, der einen Festwertspeicher darstellt, in dem Programmschritte und Konstanten abgelegt sind. Dieser Programmspeicher PS leitet je nach seiner Ansteuerung durch das Steuerwerk SW die einzelnen Programmbefehle und Konstanten an den Arbeitsspeicher AS weiter, der seinerseits die entsprechenden aktuellen Daten aus dem Ein- und Ausgabewerk EAW abfragt. Mit den gesamten Daten ermittelt das Rechenwerk RW jeweils nach den Programmbefehlen die Ergebnisse, die über den Arbeitsspeicher AS dem Ein- und Ausgabewerk EAW zugeführt werden. Steuerwerk SW, Rechenwerk RW, Programmspeicher PS, Arbeitsspeicher AS und Ein- und Ausgabewerk EAW sind die wesentlichen Teile eines Mikrocomputer µC.
Während der Abarbeitung des Programmes steuert das Ein- und Ausgabewerk EAW über Steuerleitungen SL je nach Erfordernis den Motor M der Pumpe Pu, das Gerät G und eine Signaleinrichtung S. Je nach Steuerbefehl kann diese Signaleinrichtung S ein Funktions-, ein Warn- oder ein Sperrsignal abgeben.
Die über den Multiplexer MP abgefragten Werte für Druck P und Temperatur T werden von dem Ein- und Ausgabewerk EAW einem Digital-Analog-Umsetzer DAU 1 und einem Digital- Analog-Umsetzer DAU 2 zugeführt. Auf einer Druckanzeige AP kann dann der Druck P und auf einer Temperaturanzeige AT die Temperatur T abgelesen werden.
Im Programmspeicher PS befinden sich folgende Konstanten:
Maximaler Hydraulikdruck P max
Minimaler Hydraulikdruck P min
Fördervolumeneinheit der Pumpe V E
Richtwerttabelle für die Werte V R (T)
Die Fördervolumeneinheit V E beziffert ein konstantes Volumen, das von der Pumpe pro Impuls I gefördert wird.
Mit den Festwerten werden folgende Programmschnitte durchgeführt:
  • I) Pumpensteuerung:
    Der Motor wird eingeschaltet, wenn der Hydraulikdruck P kleiner oder gleich dem minimalen Hydraulikdruck P min ist. Der Motor wird abgeschaltet, wenn der Hydraulikdruck P den maximalen Hydraulikdruck P max erreicht hat.
  • II) Aufsummierung der Impulse I während des Pumpenlaufs: Impulssignal I ges
  • III) Berechnung der Volumenzunahme: V zu = I ges · V E
  • IV) Aufsuchen des Richtwertes in Abhängigkeit von der bei Erreichen von P max herrschenden Temperatur T: V R (T)
  • V) Vergleich der Volumenzunahme V zu mit dem Richtwert V R (T) und Signalabgabe:
    Es wird ein Funktionssignal abgegeben, wenn V zu größer ist als (V R (T). Sind die beiden Werte gleich groß, wird ein Warnsignal abgegeben. Ist V zu kleiner als V R (T), erfolgt ein Sperrsignal. Außerdem werden dann der Motor M und das Gerät G gesperrt.
Die Richtwerttabelle für die Volumenzunahme V R (T) wird durch ein externes Berechnungsprogramm erstellt. Dieses Programm kann folgendermaßen gestaltet sein:
Unter der Voraussetzung, daß das Speichervolumen V sp konstant ist und sich stets aus dem Ölvolumen V Öl und dem Gas-, insbesondere Stickstoffvolumen V N , welches die Temperaturabhängigkeit des Ölvolumens V Öl bedingt, zusammensetzt, kann der Richtwert für die Volumenzunahme des Hydrauliköls V R (T) berechnet werden aus der Differenz der Stickstoffvolumina bei den Drücken P min und P max .
Es gilt also: V sp = konst = V Öl + V N
Daraus berechnet sich
V R (T) = V Öl (P max ) - V Öl (P min )
= V N (P min ) - V N (P max )-(1)
Die weitere Berechnung beruht auf folgendem:
Der Stickstoff nimmt bei der Erstbefüllung des Druckspeichers bei Nennbedingungen für Druck und Temperatur das Speichernennvolumen V sp ein und hat dabei ein spezifisches Volumen W sp . Dieses spezifische Volumen W sp ist über den gesamten Temperaturbereich konstant. Liegt nun im Druckspeicher ein Stickstoffvolumen V N (P min ) bzw. V N (P max ) vor, so beträgt das entsprechende spezifische Volumen W (P min ) bzw. W (P max )
Da sich Volumen und spezifisches Volumen proportional zueinander ändern, gilt:
Damit ergibt sich das Stickstoffvolumen
bzw.
Dabei ist der Quotient
Das spezifische Volumen W kann nach einer empirisch gefundenen Formel berechnet werden, die in allgemeiner Form beispielsweise aus dem Buch von F. Din "Thermodynamic Functions of Gases", Volume 3, London, Butterworths 1961, bekannt ist.
Es gilt: W = a · P b + c (3)
Dabei sind a, b und c temperaturabhängige Konstanten, die demselben Buch entnommen werden können.
Setzt man nun die Gleichungen (2a), (2b) und (2c) in Gleichung (1) ein, ergibt sich:
V R (T) = K · (W(P min ) - W(P max ))
Benutzt man dann noch Gleichung (3), folgt daraus
V R (T) = K · a ( - ) (4)
mit a, b = f (T)
Es kann dabei mit guter Genauigkeit vorausgesetzt werden, daß beide Drücke P min bzw. P max bei derselben Temperatur T eintreten. Die temperaturabhängige Konstante c fällt damit heraus.
Die mit der Formel (4) ermittelten Richtwerte V R (T) für verschiedene Temperaturen werden vorteilhaft tabellarisch, beispielsweise in 5°C -Temperaturintervallen, im Programmspeicher PS abgelegt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Überwachung der Gasmenge in einem hydropneumatischen Druckspeicher durch Messung der während eines bei einem bestimmten Mindestdruck einsetzenden Druckanstiegs erfolgenden Volumenzunahme der Hydraulikflüssigkeit, durch Messung des Hydraulikdrucks und durch eine von der Volumenzunahme und dem Druckanstieg abhängige Signalabgabe bei nicht ausreichender Gasmenge, gekennzeichnet durch eine Erfassung der Temperatur (T) der Gasmenge, durch die Ermittlung eines dem Verhältnis der Gastemperatur (T) zum Mindestdruck (P min ) proportionalen Richtwertes für die Volumenzunahme (V R (T)) und durch einen Vergleich der den Druckanstieg bewirkenden Volumenzunahme (V zu ) mit diesem Richtwert (V R (T)).
2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgeber (IP) an der Pumpenwelle (PW) einer Hydraulikpumpe (Pu) angeordnet ist, die vom Mindestdruck (P min ) ab bis zu einem Höchstdruck (P max ) die Hydraulikflüssigkeit in den Druckspeicher (Sp) fördert.
3. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber (IP) pro Wellendrehung eine konstante Impulszahl (I) angibt und daß das während eines Pumpvorganges angegebene Impulssignal (I ges ) ein Maß für die Volumenzunahme (V zu ) bildet.
4. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale für Druck (P) und Temperatur (T) und die angegebenen Impulse (I) eingangsseitig einem Mikrocomputer (µC) zugeführt werden.
5. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) aus den Impulsen (I) die Volumenzunahme (V zu ) berechnet, dem Temperaturmeßsignal (T) einen bestimmten Richtwert für die Volumenzunahme (V R (T)) zuordnet, die Volumenzunahme (V zu ) mit ihrem Richtwert (V R (T)) vergleicht und entsprechend dem Vergleichsergebnis ein Signal abgibt.
6. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) bei einer über dem Richtwert (V R (T)) liegenden Volumenzunahme (V zu ) ein Funktionssignal abgibt.
17. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) bei einer dem Richtwert (V R (T)) entsprechenden Volumenzunahme (V zu ) ein Warnsignal abgibt.
8. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) bei unter dem Richtwert (V R (T)) liegenden Volumenzunahme (V zu ) ein Sperrsignal abgibt, das die Funktionen des Druckspeichers (Sp) und des davon gesteuerten Geräts (G) sperrt.
9. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) die Pumpe (Pu) steuert.
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