DE4028881A1

DE4028881A1 - Verfahren und einrichtung zum schutz einer foerdereinrichtung von trockenlauf

Info

Publication number: DE4028881A1
Application number: DE19904028881
Authority: DE
Inventors: Bruno Dipl Ing Auchter; Hubert Heidenreich
Original assignee: Rheinhuette & Co GmbH
Current assignee: FRIATEC-RHEINHUETTE GMBH & CO, 65203 WIESBADEN, DE
Priority date: 1990-09-12
Filing date: 1990-09-12
Publication date: 1992-03-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Schutz einer Fördereinrichtung vor Trockenlauf, mit einer Leitung für flüssige oder gasfömige Medien, insbesondere mit einer Flüssigkeit fördernden Kreiselpumpe. Einrichtungen der genannten Art sind bekannt, beispielsweise verwenden mechanisch wirkende Trockenlaufsicherungen Turbinenräder, Ovalradzähler, Schwimmkörper, Druckwächter oder Strömungswächter. Die Übertragung der Signale erfolgt zumeist durch elektrische oder magnetische Mittel. Bekannt sind auch induktiv oder kapazitiv ansprechende Trockenlaufsicherungen. Fallweise sind auch thermisch, z. B. mittels Heizdraht-Temperaturmessung oder akustisch mittels Ultraschall auf Interferenz eines in der Strömung entstehenden Doppler-Effektes ansprechende Strömungs- bzw. Trockenlaufanzeigegeräte im Einsatz.

Bei der Vielzahl von unterschiedlichen Trockenlaufanzeigesystemen ist die Entscheidung über einen zweckmäßigen und wirtschaftlichen Einsatz oftmals schwierig. Infolge der mannigfachen physikalischen Grundlagen und Funktionsmechanismen sind Fehlentscheidungen mit nachteiligen Folgen nicht immer zu vermeiden. Mechanisch wirkende Systeme haben beispielsweise den Nachteil, daß sie mit dem Medium in Berührung kommen und daher für viele Anwendungsfälle ungeeignet sind. Induktive oder kapazitive Systeme sprechen auf unterschiedliche elektrische Eigenschaften verschiedener Fördermedien sehr unterschiedlich an. Akustische Systeme erfordern nachteilig einen sehr hohen apparativen Aufwand für genaue Anzeigeergebnisse.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die genannten Schwierigkeiten und technischen Grenzen überwindet und eine unter praktisch allen vorkommenden Einsatzbedingungen sichere Anzeige dafür liefert, daß eine Rohrleitung, vorzugsweise die Saugleitung einer Pumpe, mit Flüssigkeit oder Gas gefüllt oder leer ist. Die Anzeige soll unbeeinflußt von elektrischen, physikalischen oder chemischen Eigenschaften der geförderten Flüssigkeit, berührungsfrei und ohne Einwirkung auf das geförderte Medium, erfolgen und in einem Temperaturbereich zwischen -40°C und +260°C sowie fallweise auch in explosionsgefährdeten Bereichen, beispielsweise der Zone 0, einsetzbar sein. Dabei soll das überwachte Medium nicht mit der Atmosphäre in Kontakt kommen.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem Verfahren der im Oberbegriff des ersten Anspruchs genannten Art mit der Erfindung dadurch, daß ein Leitungsabschnitt mit Wandteilen bzw. Wänden aus lichtdurchlässigem Material verwendet und durch diesen ein Lichtstrahl in der Weise hindurchgeleitet wird, daß er nach mehrfacher Brechung durch zwei Wände des leeren Leitungsabschnittes auf einen Empfänger trifft und ein Signal auslöst, wogegen der Lichtstrahl bei mit Medium gefülltem Leitungsabschnitt durch Änderung der Brechungsverhältnisse den Empfänger verfehlt.

Mit Vorteil erfüllt das Verfahren die Forderung nach berührungsfreier Funktion, unbeeinflußt von elektrischen, physikalischen oder chemischen Eigenschaften der überwachten Flüssigkeit sowie ohne Einwirkung auf diese. Das Verfahren ist in einem Temperaturbereich zwischen -40°C und +260°C problemlos anwendbar. Auch der Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, z. B. der Zone 0, ist zulässig; dabei kommt das überwachte Medium nicht mit der Atmosphäre in Berührung. Und schließlich ist es von großem Vorteil, daß das Verfahren vergleichsweise unkompliziert und mit geringem apparativem Aufwand durchführbar ist.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß der Lichtstrahl sowohl beim Eintritt unter einem bestimmten Winkel (alpha) in die Außenfläche eines Wandteils, als auch beim Austritt aus der Innenfläche desselben in den leeren Innenraum, jedesmal einer Brechung seines Strahlenganges um einen vorgegebenen Winkelbetrag unterworfen wird, und beim Eintritt aus dem leeren Innenraum in die Innenfläche eines im wesentlichen gegenüberliegenden Wandteils, sowie beim Austritt aus dessen Außenfläche, jedesmal einer erneuten Brechung um einen vorgegebenen Winkelbetrag unterworfen wird, und daß dabei der Strahlengang so geführt wird, daß er nach Maßgabe aller vier Brechungen bei leerem Innenraum einen auf einen Empfänger gerichteten resultierenden Austrittsstrahl erzeugt, dagegen bei mit Medium gefülltem Innenraum infolge Änderung oder Wegfall der Brechungen an den Innenflächen der Wandteile den Empfänger verfehlt, wodurch je nach Schaltung unterschiedliche Signale vom Empfänger ausgelöst werden.

Eine erfindungswesentliche Ausgestaltung sieht vor, daß der Eintrittswinkel (alpha) zwischen 25° und 45°, vorzugsweise 35° beträgt.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der Lichtstrahl vorzugsweise an der Saugseite der Pumpe mit einer solchen Richtung vom Sender durch den Leitungsabschnitt gesendet wird, daß der mehrfach gebrochene Strahlengang mit einer zur Achse des Leitungsabschnittes senkrechten Ebene zusammenfällt. Dabei kann eine elektronische Signalschaltung so ausgeführt sein, daß der Empfänger bei auftreffendem Lichtstrahl ein positives Signal, und bei nicht auftreffendem Lichtstrahl ein negatives Signal erzeugt, und daß durch das positive Signal der Antrieb der Pumpe abgeschaltet wird, oder umgekehrt. Weiterhin kann von der Maßnahme Gebrauch gemacht sein, daß bei gradueller oder totaler Extinktion des Lichtstrahls infolge Absorption von Licht durch das Medium ein entsprechendes Signal vom Empfänger bzw. von dessen Signalgeber ausgelöst wird und den Füllungszustand der Leitung signalisiert. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind entsprechend den Merkmalen der Verfahrensunteransprüche vorgesehen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

- zwischen Flanschen der zu überwachenden Förderleitung ist ein rohrförmiger Leitungsabschnitt aus lichtdurchlässigem Material angeordnet;
- der Leitungsabschnitt ist von einem Klemmring mit einer Spannschraube umgeben;
- der Klemmring weist zwei in etwa gegenüberliegende und jeweils in Richtung des einfallenden und des ausfallenden Lichtstrahles orientierte sowie in einer die Achse (x-x) des Leitungsabschnittes senkrecht schneidenden Ebene (y-y) liegende Bohrungen auf;
- die in Richtung des einfallenden Lichtstrahls orientierte Bohrung nimmt einen Lichtsender, und die in Richtung des austretenden Lichtstrahls orientierte Bohrung nimmt einen damit zusammenwirkenden Empfänger auf.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Lichtsender mit einer optoelektronischen Senderfaseroptik und der Empfänger mit einer optoelektronischen Empfängerfaseroptik ausgebildet ist, und daß die Senderfaseroptik und die Empfängerfaseroptik mit einem Verstärker verbunden sind, welcher Lichtsignale über elektronische Impulse in digitale Signale umwandelt, durch welche eine Abschalt- bzw. -alarmeinrichtung aktiviert wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen lichtdurchlässigen Leitungsabschnitt, senkrecht zur Längsachse,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Einrichtung entlang der Ebene (y-y) in Fig. 3,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Einrichtung gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Leitungsabschnitt (1) aus lichtdurchlässigem Material, beispielsweise Glas, Quarz oder Kunststoff. Ein von einem nicht dargestellten Sender ausgesandter Lichtstrahl (4) tritt an der Stelle (13) des Wandteiles (10) mit dem Einfallswinkel (alpha) relativ zu einer den Glaszylinder (1) tangierenden Ebene (z-z) aus der Atmosphäre in den Wandteil (10) ein und erfährt dabei gemäß Darstellung des Strahlverlaufs (12) im leeren, z. B. luftgefüllten Glaszylinder (1) eine erste Ablenkung und beim Austritt aus der Innenwand des Wandteils (10) eine zweite Ablenkung durch die bekannte prismatische Lichtbrechung. Beim Auftreffen aus dem Innenraum des Glaszylinders (1) heraus auf die Innenwand des zweiten Wandteils (11) und Austritt aus der Außenwand desselben wird der Lichtstrahl nochmals um jeweils geringe Winkelbeträge abgelenkt. Insgesamt erfährt der Strahlverlauf (12) beim Durchtritt durch zwei Wandteile (10, 11) des leeren Glaszylinders (1) vier partielle Ablenkungen und tritt mit einem resultierenden Austrittsstrahl (5) an der Stelle (14) des Wandteils (11) aus dem Glaszylinder (1) unter dem Winkel (beta) relativ zu einer den Glaszylinder (1) tangierenden Ebene (v-v) aus.

Der Strahlengang (12) ist dabei so berechnet und geführt, daß der resultierende Austrittsstrahl (5) bei leerem Glaszylinder (1) auf einen (nicht dargestellten) Empfänger auftrifft. Die Eintrittsstelle (13) des Eintrittsstrahles (4) sowie die Austrittsstelle (14) des Austrittsstrahles (5) können auch durch die beiden Winkel (delta) bzw. (epsilon) zur Mittelebene A-A lagemäßig fixiert und beschrieben werden.

Die den resultierenden Austrittsstrahl (5) im Verhältnis zum Eintrittsstrahl (4) bestimmenden Brechungen ergeben sich durch folgende Parameter des optischen Systems:

1. Eintrittswinkel zwischen 25° und 45°, vorzugsweise 35°;
2. Brechungsindex des den Zylinder (1) umgebenden Mediums, z. B. Normalatmosphäre;
3. Brechungsindex des Zylinders (1) bzw. seines lichtdurchlässigen Materials;
4. Dicke der Wandteile (10) bzw. (11);
5. Wellenlänge des für die Durchstrahlung eingesetzten Lichtes.

Für den abweichenden Strahlungsverlauf (15) beim mediumgefülltem Glaszylinder (1) kommt als weiterer Parameter der Brechungsindex bzw. der Lichtabsorbtionsfaktor des im Zylinder (1) strömenden Mediums hinzu.

Vorhandenes Medium hebt die Brechungen an den Innenflächen des Glaszylinders (1) auf und verändert damit den Lichtstrahlverlauf (15) um den Winkel (gamma). Entsprechend den optischen Gesetzen gemäß den genannten Parametern resultiert dabei ein Austrittsstrahl (16). Dieser geht am Empfänger vorbei und löst somit kein Signal bzw. ein negatives Signal aus. Die Austrittsstelle des Austrittsstrahls (16) ist in Fig. 1 mit der Bezugsziffer (17) bezeichnet.

Anstelle eines Lichtstrahlverlaufes (15) bei Vorhandensein von Medium kann auch der Fall eintreten, daß ein lichtabsorbierendes oder lichtundurchlässiges Medium den kontrollierten Leitungsabschnitt durchströmt. Dabei findet dann eine partielle oder totale Lichtextinktion durch Absorbtion statt. Der Austrittsstrahl (16) wird verdunkelt oder gelöscht. Mangels Lichteinfall im Empfänger wird somit das gleiche Signal erzeugt, welches auch eine lichtdurchlässige Flüssigkeit erzeugen würde. Damit ist sichergestellt, daß die Färbung des überwachten Mediums ohne Einfluß auf eine korrekte Signalanzeige ist.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Einrichtung nach der Erfindung. Der Glaszylinder (1) ist von einem Klemmring (2) umgeben, der im unteren Bereich geschlitzt und mit einer Spannschraube (3) am Glaszylinder (1) festgeklemmt ist. Der Klemmring kann aus Metall, beispielsweise aber auch aus Kunststoff bestehen. Der Klemmring (2) ist mit zwei Bohrungen (6) und (7) zur Aufnahme eines Lichtsenders (8) und eines Empfängers (9) ausgebildet. Die Bohrung (6) ist in Richtung des einfallenden Lichtstrahls, die Bohrung (7) in Richtung des ausfallenden Lichtstrahls orientiert (vgl. Fig. 1, Ziffern 4, 5), sie liegen in einer die Achse (x-x) des Glaszylinders (1) senkrecht schneidenden Ebene (y-y) (Fig. 3). über die Länge der Bohrung (7) kann eventuell auftretende Streustrahlung abgeschirmt werden. Vorteilhaft ist der Lichtsender (8) mit einer optoelektronischen Senderfaseroptik und der Empfänger (9) mit einer optoelektronischen Empfängerfaseroptik ausgebildet und mit einem (nicht dargestellten) Verstärker verbunden. Dieser weist eine Schaltung auf, mit welcher die Lichtsignale über elektrische Impulse in digitale Signale umwandelt und dadurch die Abschalt- bzw. Alarmeinrichtungen aktiviert werden.

Aus den Fig. 1 bis 3 sowie der Beschreibung geht hervor, daß die Einrichtung nach der Erfindung unkompliziert ist. Die Sender- und Empfängereinheiten (8, 9) verwenden zudem handelsübliche elektronische Bausteine mit Glasfaseroptiken. Sie ermöglichen eine wirtschaftliche Erstellung des Überwachungssystems und zudem einerseits eine Anordnung der Optiken unmittelbar am Glaszylinder (1), jedoch andererseits eine Unterbringung der Schalteinheit in einem gewissen Sicherheitsabstand vom überwachten Objekt. Die Einrichtung erfüllt durch ihre erfindungsgemäße Funktion in idealer Weise die eingangs gestellten Forderungen.

Claims

1. Verfahren zum Schutz einer Fördereinrichtung vor Trockenlauf, mit einer Leitung für flüssige oder gasförmige Medien, insbesondere mit einer Flüssigkeit fördernden Kreiselpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungsabschnitt mit Wandteilen bzw. Wänden aus lichtdurchlässigem Material verwendet und durch diesen ein Lichtstrahl in der Weise hindurchgeleitet wird, daß er nach mehrfacher Brechung durch zwei Wände des leeren Leitungsabschnitts auf einen Empfänger trifft und ein Signal auslöst, wogegen der Lichtstrahl bei mit Medium gefülltem Leitungsabschnitt durch Änderung der Brechungsverhältnisse den Empfänger verfehlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl sowohl beim Eintritt unter einem Eintrittswinkel (alpha) in die Außenfläche eines Wandteils, als auch beim Austritt aus der Innenfläche desselben in den leeren Innenraum, des Leitungsabschnitts jedesmal einer Brechung seines Strahlenganges um einen vorgegebenen Winkelbetrag, und beim Eintritt aus dem Innenraum des Leitungsabschnitts in die Innenfläche eines im wesentlichen gegenüberliegenden Wandteils sowie beim Austritt aus dessen Außenfläche jedesmal einer erneuten Brechung um einen vorgegebenen Winkelbetrag unterworfen wird, und daß dabei der Strahlengang so geführt wird, daß er nach Maßgabe aller vier Brechungen bei leerem Innenraum einen auf einen Empfänger gerichteten resultierenden Austrittsstrahl erzeugt, dagegen bei mit Medium gefülltem Inneraum infolge Änderung oder Wegfall der Brechungen an den Innenflächen der Wandteile den Empfänger verfehlt, wodurch je nach Schaltung unterschiedliche Signale vom Empfänger ausgelöst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel (alpha) zwischen 25° und 45°, vorzugsweise 35° beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl vorzugsweise an der Saugseite der Pumpe mit einer solchen Richtung vom Sender durch den Leitungsabschnitt gesendet wird, daß der mehrfach gebrochene Strahlengang mit einer zur Achse des Leitungsabschnittes senkrechten Ebene zusammenfällt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger bei auftreffendem Lichtstrahl ein positives Signal und bei nicht auftreffendem Lichtstrahl ein negatives Signal erzeugt, und daß durch das positive Signal der Antrieb der Pumpe abgeschaltet wird, oder umgekehrt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gradueller oder totaler Extinktion des Lichtstrahls infolge Absorption von Licht durch das Medium ein entsprechendes Signal vom Empfänger bzw. dessen Signalgeber ausgelöst wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalerzeugung eine optoelektronische Einrichtung wie Einweglichtschranke mit getakteten Empfänger/Sendereinheiten verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender/Empfänger-Einheiten gegen störenden z. B. Fremdlichteinfall abgeschirmt sind, wobei fallweise die lichtdurchlässigen Wandbereiche des Leitungsabschnittes bis auf die Lichteinfall- und Ausfallstellen lichtundurchlässig gemacht sind.

9. Einrichtung zum Schutz einer Fördereinrichtung vor Trockenlauf, mit einer Leitung für flüssige oder gasförmige Medien, insbesondere mit einer Flüssigkeit fördernden Kreiselpumpe, zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- zwischen Flanschen der zu überwachenden Förderleitung ist ein rohrförmiger Leitungsabschnitt (1) aus lichtdurchlässigem Material angeordnet;
- der Leitungsabschnitt (1) ist von einem Klemmring (2) mit einer Spannschraube (3) umgeben;
- der Klemmring (2) weist zwei in etwa gegenüberliegende und jeweils in Richtung des einfallenden (4) und des ausfallenden Lichtstrahles (5) orientierte sowie in einer die Achse (x-x) des Leitungsabschnittes (1) senkrecht schneidenden Ebene (y-y) liegende Bohrungen (6, 7) auf;
- die in Richtung des einfallenden Lichtstrahls (4) orientierte Bohrung (6) nimmt einen Lichtsender (8) und die in Richtung des ausfallenden Lichtstrahls (5) orientierte Bohrung (7) nimmt einen damit zusammenwirkenden Empfänger (9) auf.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (8) mit einer optoelektronischen Senderfaseroptik und der Empfänger (9) mit einer optoelektronischen Empfängerfaseroptik ausgebildet ist, und daß die Senderfaseroptik und die Empfängerfaseroptik mit einem Verstärker verbunden sind, der Lichtsignale über elektrische Impulse in digitale Signale umwandelt, mit welchen die entsprechenden Abschalt- bzw. Alarmeinrichtungen aktiviert werden.