EP1477678B1 - Störungsfrüherkennung an Pumpenventilen - Google Patents

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EP1477678B1
EP1477678B1 EP04011109A EP04011109A EP1477678B1 EP 1477678 B1 EP1477678 B1 EP 1477678B1 EP 04011109 A EP04011109 A EP 04011109A EP 04011109 A EP04011109 A EP 04011109A EP 1477678 B1 EP1477678 B1 EP 1477678B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
valve
valves
generated
borne sound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP04011109A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1477678A3 (de
EP1477678B2 (de
EP1477678A2 (de
Inventor
Eberhard Prof. Dr. Schlücker
Ralf Benken
Michael Stritzelberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lewa GmbH
Original Assignee
Lewa GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=32946466&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1477678(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Lewa GmbH filed Critical Lewa GmbH
Publication of EP1477678A2 publication Critical patent/EP1477678A2/de
Publication of EP1477678A3 publication Critical patent/EP1477678A3/de
Publication of EP1477678B1 publication Critical patent/EP1477678B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1477678B2 publication Critical patent/EP1477678B2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B51/00—Testing machines, pumps, or pumping installations

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring and automatic early fault detection of the valves, in particular the suction and / or pressure valves, an oscillating positive displacement pump, in particular a diaphragm metering pump, according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an apparatus for carrying out this method according to the preamble of claim 9.
  • the pump valves in particular the suction and pressure valves, have a decisive influence on the pump function.
  • suction and pressure valves are subject to constant wear, which has a negative effect on the pump capacity and on their dosing accuracy.
  • valves fail prematurely. This causes unwanted consequential damage due to the then necessary immediate service interruption.
  • GB 2 314 412 A already discloses a method for assessing the condition or performance of pumps of any type with the aid of acoustic measured variables.
  • the ratio of current measurements to reference values is used as a measure of the performance of the pump.
  • averaged sound levels and peak values are used during certain periods.
  • additional measured values such as the absorbed power, the delivery head and the pump speed, can be used.
  • US Pat. No. 4,896,101 A and US 2002/0062682 A also disclose the monitoring of motor-operated apparatuses or externally operated valves. However, this also gives no indication of the special problem of monitoring and automatic early fault detection of the valves, in particular the suction and / or pressure valves, an oscillating positive displacement pump, in particular a diaphragm pump.
  • the invention is therefore based on the object to eliminate the disadvantages described to provide a method and a device by which it is possible to monitor the valves of a pump of the generic type such that there is an automatic early fault detection of the valves, so that valve damage be recognized in time and a shutdown of the pump can be planned.
  • the invention also provides an apparatus for carrying out this method, the features of which are set forth in claim 9.
  • the inventive method is based on the essential idea to use the increased operating noise generated by a leaking valve due to the backflow of the conveying fluid in the closed valve state as a measure of the leakage of the valve.
  • the generated effective signal level is continuously monitored and compared with a reference signal level formed by the operating sound of the intact-valve pump, and at a predetermined level deviation due to increased operating noise, an early fault indication is triggered.
  • both the effective signal level and the reference signal level are averaged over a predetermined period of time, that the one used during a fraction of the Pumpenhubzyklus as a predetermined averaging period and that further to form the average value of the respective signal level, a trigger signal at a defined time during the Pump stroke cycle is used.
  • the invention thus makes use of the effect in an advantageous manner that a certain background noise can be seen with an intact pump. At the same time, some discrete typical individual noises occur. These have various causes, such as the meshing in the reduction gear on the pump engine or the opening and closing noises of the valves.
  • the suction and pressure valves used in the oscillating displacement pumps are usually either ball valves or plate valves or conical valves, which can be spring-loaded or pressure-controlled.
  • the demands placed on these valves are that they must open and close at exactly the right time and that they must be tight in the intended time.
  • the generated operating noise of the pump and thus also that of the valves is measured as structure-borne noise.
  • This can be done in an embodiment of the invention by means of a structure-borne sound sensor or a microphone, but in particular by means of a vibration acceleration sensor, which preferably operates on the piezoelectric compression principle and may have an integrated charge amplifier.
  • the generated structure-borne noise at the pump head in particular at a central point thereof, can be measured.
  • the generated structure-borne sound at or near the relevant valve may be the suction and / or pressure valve, in addition, however, also provided on the pump body further hydraulic valves, which serve to supplement the leak or the removal of excess hydraulic fluid.
  • the evaluation of the signals takes place within a defined time window in the stroke cycle.
  • a trigger signal is used, which is generated at a defined point in time of the pump lifting cycle. This can e.g. take place in the suction stroke end position of the piston.
  • the trigger signal advantageously does not have to meet very high accuracy requirements.
  • the generated structure-borne sound signal during the displacement phase is detected and compared for monitoring the suction valve in a defined period.
  • the corresponding period in the intake phase is used as the basis for the monitoring of the pressure valve.
  • the defined period of time may extend only for the sake of example for monitoring the pressure valve over a range of 90-160 ° of the crank angle, while for the monitoring of the suction valve such a defined period is sufficient, which extends over a range of 270-340 ° of the crank angle extends.
  • the trigger signal can be generated in various ways, for example by means of a contactor mounted on the pump engine, by means of a corresponding scanning of the piston rod, by means of the detection of a characteristic signal in the structure-borne sound signal generated, for example due to the play envelope in the engine, and also on the basis of other characteristic signals, eg the respectively measured pressure in the air space of the hydraulic storage space or in the engine.
  • reference value is suitably taken, which is assigned to an intact valve.
  • This reference value may be detected in a variety of ways, for example by measuring in good condition of the valve under operating conditions, by a selection of predefined values, e.g. from a matrix with defined values for different valve designs and operating conditions, from a map determination, i. a computational determination of valve data and operating data, such as delivery pressure, fluid, etc., and the like.
  • the mean value can be formed from a number of pump strokes.
  • the automatic early failure detection method according to the invention is insensitive to short-term disturbances. This can e.g. be useful when polluted fluids are metered by the pump in question. By fluid particles that are inadvertently clamped between the valve seat and valve closing body, it comes with individual pump strokes to a fluid backflow, but because only briefly and temporarily occurring, should not be displayed as a fault.
  • a further embodiment of the method according to the invention can be that of a number of pump strokes before their further signal processing a certain number of pump strokes with extreme values or with implausible values is sorted out.
  • the signal values of 100 pump strokes can be detected, whereby three pump strokes with the highest as well as the lowest individual values are sorted out in each case.
  • the average value is then formed from the remaining 94 values.
  • the structure-borne sound signal generated by the respective valve is amplified by means of valve internals. These are in particular fittings on the valve seat whose purpose is to be excited to vibrate due to the leakage flow back to achieve an amplification of the structure-borne sound signal.
  • the inventively provided device for carrying out the described method is provided with a connected to a pump component measuring device which monitors the increased operating noise generated by a leaking valve due to the backflow of the conveying fluid in the closed valve state and measures as RMS signal level, and with a comparator connected to the measuring device representing the RMS signal level with a reference signal level formed by the operating sound of the intact valve pump compares and generates at a predetermined level deviation or change a fault message as early fault detection.
  • the measuring device has at least one sensor for detecting the structure-borne noise generated by the operating noise of the pump.
  • this structure-borne sound sensor may be a vibration acceleration sensor, preferably piezoelectrically operating.
  • the measuring device can either be connected to the pump head, in particular at a central point thereof. Instead, it is also possible to have the measuring device directly on or near the pump valves, i. the suction and pressure valve and the other hydraulic valves to provide.
  • the generated structure-borne sound signal can be amplified by suitable internals in the valve seat according to the invention.
  • a vibration device is provided, which is provided at or near the valve seat.
  • Such a vibration device may consist of at least one wing installed at an angle into the valve or else a membrane sheet metal ring which is installed in the valve seat.
  • the method and the device according to the invention can be used both in a diaphragm metering pump 1 and in a piston pump 2.
  • a measuring device 5 is provided, which is connected to a central point of the pump cover 6 and monitors the increased operating noise generated by a leaky valve 3 or 4 due to the backflow of the conveying fluid in the closed valve state and measures as RMS signal level.
  • the measuring device 5 is designed for measuring the structure-borne noise generated in each case by the operating noise and has a corresponding sensor. This is in the illustrated embodiment, a piezoelectric vibration acceleration sensor.
  • a comparison device 7 which includes the effective signal level supplied by the measuring device 5 via a signal line 8 a reference signal level formed by the operating noise of the pump with intact valves 3 and 4, respectively, and generates a fault message as a fault early detection at a predetermined level deviation or change.
  • FIGS. 2a-2e the various diagrams show the characteristics of the diaphragm metering pump 1 according to FIG. 1.
  • the piston travel over time is illustrated in FIG. 2a.
  • Fig. 2b shows the pressure curve in the hydraulic chamber 9 of the pump 1, wherein clearly the characteristic curve of the pressure stroke carried out by the piston 10 as well as the suction stroke of the diaphragm 11 (see Fig. 1) can be seen.
  • FIG. 2d shows the structure-borne sound profile of a pump 1 with defective suction valve 3, which typically occurs during the pressure stroke carried out by the piston 10, since in this case the suction valve 3 no longer closes exactly due to the leak occurring and thus an undesirable leakage flow in the Suction line permits.
  • FIG. 2e shows the structure-borne sound signal in a pump 1 with defective pressure valve 4. This results, as shown, during the suction stroke of the piston 10, since the leaking pressure valve 4 no longer reliably closes and unwanted backflow in the form of a leakage flow in the fluid space 12 of the pump 1 permits.
  • FIGS. 3a and 3b show the level profile of the measured structure-borne noise signal in averaged form, with the averaging period in FIG. 3a during several pump strokes, that is, several times during the compression stroke and the suction stroke, is shown and the early fault detection can be detected due to an increased RMS signal level.
  • FIG. 3b shows the signal profile at an averaging period, which extends only over a fraction of the pump stroke cycle, in the illustrated case during only a certain time of the suction stroke.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und automatischen Störungsfrüherkennung der Ventile, insbesondere der Saug- und/oder Druckventile, einer oszillierenden Verdrängerpumpe, insbesondere einer Membrandosierpumpe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffene Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Bei oszillierenden Verdrängerpumpen, vor allem aber bei Membrandosierpumpen, haben die Pumpenventile, insbesondere die Saug- und Druckventile, entscheidenden Einfluß auf die Pumpenfunktion.
  • Die Saug- und Druckventile sind einem ständigen Verschleiß unterworfen, der sich negativ auf die Förderleistung der Pumpe sowie auf deren Dosiergenauigkeit auswirkt.
  • In der Praxis wird bisher versucht, dieses Problem dadurch zu vermeiden, daß man aus der Erfahrung heraus die Ventile rechtzeitig austauscht.
  • Trotzdem läßt es sich nicht vermeiden, daß Ventile vorzeitig ausfallen. Dies verursacht aufgrund der dann notwendigen sofortigen Betriebsunterbrechung unerwünschte Folgeschäden.
  • Aus GB 2 314 412 A ist schon ein Verfahren zur Zustands- bzw. Leistungsbewertung von Pumpen jeglicher Bauart mit Hilfe akustischer Messgrößen bekannt. Das Verhältnis der aktuellen Messgrößen zu Referenzwerten wird als Maß für die Leistungsfähigkeit der Pumpe benutzt. Zu diesem Zweck werden in bestimmten Zeiträumen gemittelte Schallpegel und Spitzenwerte verwendet. Zusätzlich können weitere Messwerte, wie die aufgenommene Leistung, die Förderhöhe und die Pumpendrehzahl, mit verwendet werden.
  • Diese in sehr allgemeiner Form beschriebene Pumpenüberwachung gibt jedoch keinerlei Hinweise auf das konkrete Problem einer Störungsfrüherkennung von Pumpenventilen in oszillierenden Verdrängerpumpen.
  • Aus US 4 896 101 A und US 2002/0062682 A ist weiterhin die Überwachung von motorbetriebenen Apparaten bzw. fremdbetätigten Ventilen bekannt. Auch hieraus ergeben sich jedoch keinerlei Hinweise auf das spezielle Problem der Überwachung und automatischen Störungsfrüherkennung der Ventile, insbesondere der Saug- und/oder Druckventile, einer oszillierender Verdrängerpumpe, insbesondere einer Membranpumpe.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der geschilderten Nachteile ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mittels denen es möglich ist, die Ventile einer Pumpe der gattungsgemäßen Art derart zu überwachen, daß sich eine automatische Störungsfrüherkennung der Ventile ergibt, so daß Ventilschäden rechtzeitig erkannt werden und eine Betriebsunterbrechung der Pumpe geplant werden kann.
  • Die Merkmale des zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1.
  • Die Erfindung sieht außerdem eine zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffene Vorrichtung vor, deren Merkmale in Anspruch 9 aufgeführt sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
  • Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, das von einem undichten Ventil aufgrund der Rückströmung des Förderfluids im geschlossenen Ventilzustand erzeugte erhöhte Betriebsgeräusch als Maß für die Undichtigkeit des Ventils zu verwenden. Zu diesem Zweck wird der erzeugte Effektivsignalpegel kontinuierlich überwacht und mit einem vom Betriebsgeräusch der Pumpe mit intaktem Ventil gebildeten Referenzsignalpegel verglichen, wobei bei einer vorbestimmten Pegelabweichung bzw. -veränderung aufgrund eines erhöhten Betriebsgeräusches eine Störungsfrüherkennungsanzeige ausgelöst wird. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass sowohl der Effektivsignalpegel als auch der Referenzsignalpegel während eines vorbestimmten Zeitraumes gemittelt werden, dass als vorbestimmter Mittelungszeitraum derjenige während eines Bruchteils des Pumpenhubzyklus verwendet wird und dass weiterhin zur Bildung des Mittelwertes des jeweiligen Signalpegels ein Triggersignal zu einem definierten Zeitpunkt während des Pumpenhubzyklus verwendet wird.
  • Die Erfindung macht sich damit in vorteilhafter Weise den Effekt zunutze, daß bei intakter Pumpe ein gewisses Grundrauschen zu erkennen ist. Hierbei treten gleichzeitig einige diskrete typische Einzelgeräusche auf. Diese haben verschiedene Ursachen, wie z.B. der Zahneingriff im Untersetzungsgetriebe am Pumpentriebwerk oder die Öffnungs- und Schließgeräusche der Ventile.
  • Demgegenüber erzeugen undicht gewordene Ventile aufgrund der Rückströmung des Förderfluids im geschlossenen Ventilzustand erhöhte typische Betriebsgeräusche. Diese erhöhten Betriebsgeräusche sind abhängig von der Rückströmmenge des Förderfluids und werden erfindungsgemäß als Maß für die Undichtigkeit des Ventils verwendet.
  • So ist beispielsweise bei einem defekten Saugventil während der Verdrängungsphase, d.h. während des Druckhubs, ein erhöhter Geräuschpegel zu erkennen, während bei einem defekten Druckventil während der Ansaugphase, d.h. während des Saughubs, ein erhöhter Geräuschpegel auftritt.
  • Die bei den oszillierenden Verdrängerpumpen, insbesondere bei den zur Rede stehenden Membrandosierpumpen, zur Anwendung gelangenden Saug- und Druckventile sind üblicherweise entweder Kugelventile oder Plattenventile oder Kegelventile, die befedert oder druckgesteuert sein können. Hierbei bestehen die an diese Ventile gestellten Forderungen darin, daß sie genau zum richtigen Zeitpunkt öffnen und schließen müssen und daß sie in der vorgesehenen Zeit dicht sein müssen.
  • Die an solchen Ventilen möglicherweise auftretenden Schäden äußern sich entweder in einer durch eine oder mehrere Kerben am Ventilsitz erzeugten Kerbleckage, wobei ein lokaler Schaden auftritt, oder aus einer einen flächigen Schaden erzeugenden Flächenleckage. Hierbei ist die Dichtkante des Ventilsitzes nicht punktuell durch eine oder mehrere Kerben, sondern über den gesamten Umfang geschädigt. In beiden Fällen tritt ein erhöhtes Strömungsrauschen am Ventilsitz auf, was sich u.a. durch das Zusammenfallen der auftretenden Kavitationsblasen erklären läßt.
  • Erfindungsgemäß wird das erzeugte Betriebsgeräusch der Pumpe und damit auch dasjenige der Ventile als Körperschall gemessen. Dies kann in Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Körperschallsensors oder eines Mikrophons, insbesondere aber mittels eines Schwingungsbeschleunigungssensors erfolgen, der vorzugsweise nach dem piezoelektrischen Kompressionsprinzip arbeitet und einen integrierten Ladungsverstärker besitzen kann.
  • Erfindungsgemäß kann der erzeugte Körperschall am Pumpenkopf, insbesondere an einer zentralen Stelle hiervon, gemessen werden. Stattdessen ist es aber auch möglich, den erzeugten Körperschall an oder nahe dem betreffenden Ventil zu messen. Dies kann das Saug- und/oder Druckventil sein, zusätzlich aber auch die am Pumpenkörper vorgesehenen weiteren Hydraulikventile, die der Leckergänzung bzw. der Abfuhr von überschüssigem Hydraulikfluid dienen.
  • Zur Durchführung der erfindungsgemäß vorgesehenen Vergleichsbildung zwischen Effektivsignalpegel und Referenzsignalpegel wird, wie dargelegt, sowohl der vom Betriebsgeräusch der Pumpe mit intakten Ventilen gebildeten Referenzsignalpegel als auch der vom erhöhten Betriebsgeräusch der Pumpe mit undicht gewordenen Ventilen gebildete Effektivsignalpegel über einen vorbestimmten Zeitraum gemittelt. Hierbei wird als vorbestimmter Mittelungszeitraum derjenige während eines Bruchteils des Pumpenhubzyklus verwendet. In diesem Fall erfolgt die Auswertung der Signale innerhalb eines definierten Zeitfensters im Hubzyklus. Hierzu gelangt erfindungsgemäß ein Triggersignal zur Anwendung, das zu einem definierten Zeitpunkt des Pumpenhubzyklus erzeugt wird. Dies kann z.B. in der Saughubendstellung des Kolbens erfolgen. Das Triggersignal muß vorteilhafterweise keine sehr hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllen. So reicht z.B. eine Genauigkeit von +/- 5° Kurbelwinkel aus. Hierbei wird für die Überwachung des Saugventils in einem definierten Zeitraum das erzeugte Körperschallsignal während der Verdrängungsphase (Druckhub) erfaßt und verglichen. Demgegenüber wird für die Überwachung des Druckventils der entsprechende Zeitraum in der Ansaugphase (Saughub) zugrunde gelegt.
  • Der definierte Zeitraum kann sich lediglich des Beispiels halber für die Überwachung des Druckventils über einen Bereich von 90 - 160° des Kurbelwinkels erstrecken, während für die Überwachung des Saugventils ein solcher definierter Zeitraum ausreicht, der sich über einen Bereich von 270 - 340° des Kurbelwinkels erstreckt.
  • Die Vorteile, die sich mit der Auswertung der Signale innerhalb eines definierten Zeitfensters im Pumpenhubzyklus ergeben, bestehen u.a. darin,
    • daß Undichtigkeiten sowohl am Saugventil als auch am Druckventil genau unterschieden werden können,
    • daß die Empfindlichkeit der Messung sehr hoch ist und
    • daß störende Schallquellen, z.B. solche aus dem Antriebssystem, leicht ausgefiltert werden können, indem beispielsweise das Zeitfenster, innerhalb dessen die Messung erfolgte, entsprechend groß oder klein definiert wird.
  • Die Erzeugung des Triggersignals kann erfindungsgemäß auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise mittels eines am Pumpentriebwerks angebauten Kontaktgebers, mittels einer entsprechenden Abtastung der Kolbenstange, mittels der Erfassung eines charakteristischen Signals im erzeugten Körperschallsignal, beispielsweise aufgrund des Spielumschlags im Triebwerk, und auch anhand sonstiger charakteristischer Signale, z.B. des jeweils gemessenen Drucks im Luftraum des Hydraulikvorratsraums oder im Triebwerk.
  • Als Referenzsignalpegel wird zweckmäßigerweise derjenige Referenzwert genommen, der einem intakten Ventil zugeordnet ist. Dieser Referenzwert kann auf unterschiedliche Weise erfaßt werden, beispielsweise durch Messung im einwandfreien Zustand des Ventils unter Betriebsbedingungen, durch eine Auswahl aus vordefinierten Werten, z.B. aus einer Matrix mit definierten Werten für unterschiedliche Ventilausführungen und Betriebsbedingungen, aus einer Kennfeldermittlung, d.h. einer rechnerischen Ermittlung aus Ventildaten und Betriebsdaten, wie Förderdruck, Fluid usw., und dgl.
  • Bei dem vorerwähnten Verfahren, bei dem sowohl der Referenzsignalpegel als auch der Effektivsignalpegel über einen bestimmten Zeitraum während eines Bruchteils des Pumpenzyklus gemittelt wird, kann erfindungsgemäß der Mittelwert aus einer Anzahl von Pumpenhüben gebildet werden. Damit wird das automatische Störungsfrüherkennungsverfahren gemäß der Erfindung unempfindlich gegen kurzzeitige Störungen. Dies kann z.B. sinnvoll sein, wenn verschmutzte Fluide mittels der betreffenden Pumpe dosiert werden. Durch Fluidpartikel, die zwischen Ventilsitz und Ventilschließkörper unabsichtlich eingeklemmt werden, kommt es bei einzelnen Pumpenhüben zu einer Fluidrückströmung, die aber, weil lediglich kurzzeitig und vorübergehend auftretend, noch nicht als Störung angezeigt werden soll.
  • Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, daß von einer Anzahl von Pumpenhüben vor deren weiteren Signalverarbeitung eine bestimmte Anzahl von Pumpenhüben mit Extremwerten oder mit nicht plausiblen Werten aussortiert wird.
  • So sei lediglich als Beispiel angegeben, daß die Signalwerte von 100 Pumpenhüben erfaßt werden können, wobei jeweils drei Pumpenhübe mit den höchsten sowie mit den niedrigsten Einzelwerten aussortiert werden. Für die weitere Signalverarbeitung wird dann aus den verbleibenden 94 Werten der Mittelwert gebildet.
  • Damit nicht nur ein aktueller Ventilfehler angezeigt werden kann, liegt es im Rahmen der Erfindung, die auftretenden Fehler mit einer entsprechenden Zeitangabe in einem Speicher abzulegen oder diese Fehler an übergeordnete Leitsysteme zu melden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn eine Ventilundichtigkeit nur zeitweise auftritt und die Undichtigkeit nicht durch Verschleiß, sondern z.B. durch zeitweise verunreinigtes Fluid verursacht wird.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das vom jeweiligen Ventil erzeugte Körperschallsignal mittels Ventileinbauten verstärkt wird. Dies sind insbesondere Einbauten am Ventilsitz, deren Zweck es ist, aufgrund der Leckagerückströmung zum Schwingen angeregt zu werden, um eine Verstärkung des Körperschallsignals zu erreichen.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, nur ein definiertes Frequenzband der gemessenen Signale auszuwerten, um den Abstand zum allgemeinen Rauschsignal zu erhöhen.
  • Es liegt schließlich im Rahmen der Erfindung, einzelne Meßdaten, wie z.B. ein Spielumschlag im Triebwerk, aus dem betrachteten Zeitfenster auszublenden. In diesem Fall ist dann die Existenz eines exakten Triggersignals von Vorteil.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist versehen mit einer an ein Pumpenbauteil angeschlossenen Meßeinrichtung, welche das von einem undichten Ventil aufgrund der Rückströmung des Förderfluids im geschlossenen Ventilzustand erzeugte erhöhte Betriebsgeräusch überwacht und als Effektivsignalpegel mißt, und mit einer mit der Meßeinrichtung verbundenen Vergleichseinrichtung, welche den Effektivsignalpegel mit einem vom Betriebsgeräusch der Pumpe mit intakten Ventilen gebildeten Referenzsignalpegel vergleicht und bei einer vorbestimmten Pegelabweichung bzw. -veränderung eine Störmeldung als Störungsfrüherkennung erzeugt.
  • Vorteilhafterweise weist die Meßeinrichtung wenigstens einen Sensor zur Erfassung des vom Betriebsgeräusch der Pumpe erzeugten Körperschalls auf. Hierbei kann dieser Körperschallsensor ein Schwingungsbeschleunigungssensor, vorzugsweise piezoelektrisch arbeitend, sein.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann die Meßeinrichtung entweder am Pumpenkopf, insbesondere an einer zentralen Stelle hiervon, angeschlossen sein. Statt dessen ist es auch möglich, die Meßeinrichtung direkt an oder nahe den Pumpenventilen, d.h. dem Saug- und Druckventil sowie den weiteren Hydraulikventilen, vorzusehen.
  • Falls erwünscht, kann erfindungsgemäß das erzeugte Körperschallsignal durch geeignete Einbauten in den Ventilsitz verstärkt werden. Zu diesem Zweck ist eine Schwingungseinrichtung vorgesehen, die an oder nahe dem Ventilsitz vorgesehen ist.
  • Eine derartige Schwingungseinrichtung kann aus wenigstens einem schräg in das Ventil eingebauten Flügel oder aber aus einem Membranblechring bestehen, der in den Ventilsitz eingebaut ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch im Schnitt die Anwendung des Verfahrens sowie der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei einer Membrandosierpumpe sowie bei einer Kolbenpumpe;
    Fig. 2a
    im Diagramm den Kolbenweg der Pumpe über der Zeit,
    Fig. 2b
    im Diagramm den zeitlichen Verlauf des Druckhubs sowie des Saughubs der Membrandosierpumpe;
    Fig. 2c
    den als Körperschallsignal gemessenen Referenzsignalpegel eines intakten Pumpenventils sowohl beim Druckhub als auch beim Saughub,
    Fig. 2d
    den Effektivsignalpegel bei einem defekten Saugventil und
    Fig. 2e
    bei einem defekten Druckventil;
    Fig. 3a
    den Referenzsignalpegel sowie den Effektivsignalpegel in zeitlicher Mittelung über mehrere Pumpenhübe und
    Fig. 3b
    in zeitlich begrenzter Mittelung, d.h. in einem definierten Zeitfenster innerhalb des Hubzyklus.
  • Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sowohl bei einer Membrandosierpumpe 1 als auch bei einer Kolbenpumpe 2 zur Anwendung gelangen. Hierbei dreht es sich darum, bei den jeweils vorgesehenen Saugventilen 3 sowie Druckventilen 4, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als druckgesteuerte Kugelventile ausgestaltet sind, eine Störungsfrüherkennung durchzuführen.
  • Zu diesem Zweck ist eine Meßeinrichtung 5 vorgesehen, die an einer zentralen Stelle des Pumpendeckels 6 angeschlossen ist und das von einem undichten Ventil 3 bzw. 4 aufgrund der Rückströmung des Förderfluids im geschlossenen Ventilzustand erzeugte erhöhte Betriebsgeräusch überwacht sowie als Effektivsignalpegel mißt.
  • Die Meßeinrichtung 5 ist zur Messung des jeweils vom Betriebsgeräusch erzeugten Körperschalls ausgebildet und weist einen entsprechenden Sensor auf. Dieser ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisch arbeitender Schwingungsbeschleunigungssensor.
  • Es ist weiterhin eine Vergleichseinrichtung 7 vorgesehen, welche den von der Meßeinrichtung 5 über eine Signalleitung 8 angelieferten Effektivsignalpegel mit einem vom Betriebsgeräusch der Pumpe mit intakten Ventilen 3 bzw. 4 gebildeten Referenzsignalpegel vergleicht und bei einer vorbestimmten Pegelabweichung bzw. -veränderung eine Störmeldung als Störungsfrüherkennung erzeugt.
  • Wie im einzelnen aus Fig. 2a - 2e ersichtlich, zeigen die verschiedenen Diagramme die Charakteristika der Membrandosierpumpe 1 gemäß Fig. 1. Hierbei ist in Fig. 2a der Kolbenweg über der Zeit dargestellt.
  • Fig. 2b zeigt demgegenüber den Druckverlauf im Hydraulikraum 9 der Pumpe 1, wobei deutlich der charakteristische Verlauf des vom Kolben 10 durchgeführten Druckhubs sowie des Saughubs der Membran 11 (s. Fig. 1) erkennbar ist.
  • Wie aus Fig. 2c zu ersehen, gestaltet sich der Verlauf des von einer Pumpe 1 mit intakten Ventilen 3 bzw. 4 erzeugten Betriebsgeräuschs, das als Körperschallsignal gemessen wird, in typischer Weise, wobei der in Fig. 2c dargestellte Verlauf den Referenzsignalpegel darstellt. Dieser gibt typische Geräuschspitzen wieder, die während des vom Pumpenkolben 10 durchgeführten Druckhubes und Saughubes erzeugt werden.
  • Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 2d den Körperschallverlauf einer Pumpe 1 mit defektem Saugventil 3, der typischerweise während des vom Kolben 10 durchgeführten Druckhubes in Erscheinung tritt, da hierbei das Saugventil 3 aufgrund der aufgetretenen Undichtigkeit nicht mehr exakt schließt und somit eine unerwünschte Leckageströmung in die Ansaugleitung zuläßt.
  • Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 2e das Körperschallsignal bei einer Pumpe 1 mit defektem Druckventil 4. Dieses ergibt sich, wie dargestellt, beim Saughub des Kolbens 10, da hier das undicht gewordene Druckventil 4 nicht mehr zuverlässig schließt und eine unerwünschte Rückströmung in Form einer Leckageströmung in den Fluidraum 12 der Pumpe 1 zuläßt.
  • Fig. 3a und 3b zeigen schließlich den Pegelverlauf des gemessenen Körperschallsignals in gemittelter Form, wobei in Fig. 3a der Mittelungszeitraum während mehrerer Pumpenhübe, d.h. also mehrmals während des Druckhubes sowie des Saughubes, dargestellt ist und sich die Störungsfrüherkennung aufgrund eines erhöhten Effektivsignalpegels erkennen läßt. Demgegenüber zeigt Fig. 3b den Signalverlauf bei einem Mittelungszeitraum, der sich lediglich über einen Bruchteil des Pumpenhubzyklus, im dargestellten Fall während lediglich einer bestimmten Zeit des Saughubes, erstreckt.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Überwachung und zur automatischen Störungsfrüherkennung der Ventile, insbesondere der Saug- und/oder Druckventile, einer oszillierenden Verdrängerpumpe, insbesondere einer Membrandosierpumpe, wobei das von einem undichten Ventil aufgrund der Rückströmung des Förderfluids im geschlossenen Ventilzustand erzeugte erhöhte Betriebsgeräusch als Maß für die Undichtigkeit des Ventils verwendet wird, indem der hierdurch erzeugte Effektivsignalpegel kontinuierlich überwacht und mit einem vom Betriebsgeräusch der Pumpe mit intakten Ventilen gebildeten Referenzsignalpegel verglichen wird, wobei bei einer vorbestimmten Pegelabweichung bzw. -veränderung aufgrund eines erhöhten Betriebsgeräusches eine Störungsfrüherkennungsanzeige ausgelöst wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sowohl der Effektivsignalpegel als auch der Referenzsignalpegel während eines vorbestimmten Zeitraums gemittelt werden,
    dass als vorbestimmter Mittelungszeitraum derjenige während eines Bruchteils des Pumpenhubzyklus verwendet wird und
    dass weiterhin zur Bildung des Mittelwertes des jeweiligen Signalpegels ein Triggersignal zu einem definierten Zeitpunkt während des Pumpenhubzyklus verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Betriebsgeräusch der Pumpe und damit auch dasjenige der Ventile als Körperschall gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Körperschall mittels wenigstens eines Körperschallsensors oder Mikrophons gemessen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Körperschall mittels wenigstens eines Schwingungsbeschleunigungssensors gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Körperschall am Pumpenkopf, insbesondere an einer zentralen Stelle hiervon, gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das der erzeugte Körperschall an oder nahe dem bzw. den Ventilen gemessen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Triggersignal mittels eines am Pumpentriebwerk angebauten Kontaktgebers (13) erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vom jeweiligen Ventil erzeugte Körperschallsignal mittels Ventileinbauten verstärkt wird.
  9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine an ein Pumpenbauteil angeschlossene Meßeinrichtung (5), welche das von einem undichten Ventil (3 bzw. 4) aufgrund der Rückströmung des Förderfluids im geschlossenen Ventilzustand erzeugte erhöhte Betriebsgeräusch überwacht und als Effektivsignalpegel mißt, und
    eine mit der Meßeinrichtung (5) verbundene Vergleichseinrichtung (7), welche den Effektivsignalpegel mit einem vom Betriebsgeräusch der Pumpe mit intaktem Ventil (3 bzw. 4) gebildeten Referenzsignalpegel vergleicht und bei einer vorbestimmten Pegelabweichung bzw. -veränderung eine Störmeldung als Störungsfrüherkennung erzeugt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung (5) wenigstens einen Sensor zur Erfassung des vom Betriebsgeräusch der Pumpe (1 bzw. 2) erzeugten Körperschalls aufweist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor ein Schwingungsbeschleunigungssensor (5) ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung (5) am Pumpenkopf (6), insbesondere an einer zentralen Stelle hiervon, angeschlossen ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung (5) an oder nahe den Pumpenventilen (3, 4) vorgesehen ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zu überwachende Pumpenventil (3, 4) zur Verstärkung des erzeugten Körperschallsignals eine Schwingungseinrichtung aufweist, die an oder nahe dem Ventilsitz vorgesehen ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungseinrichtung aus wenigstens einem schräg in das Ventil (3 bzw. 4) eingebauten Flügel besteht.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungseinrichtung ein Membranblechring ist.
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