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 verfahrensInfo
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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)
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)
= 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 )
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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DE19863609701 DE3609701A1 (de) | 1986-03-20 | 1986-03-20 | Verfahren zur ueberwachung der gasmenge in einem hydropneumatischen druckspeicher und einrichtung zur ausuebung des verfahrens |
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DE19863609701 Granted DE3609701A1 (de) | 1986-03-20 | 1986-03-20 | Verfahren zur ueberwachung der gasmenge in einem hydropneumatischen druckspeicher und einrichtung zur ausuebung des verfahrens |
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