EP2326842A1 - Verfahren zur früherkennung von ventilschäden in oszillierenden verdrängerpumpen und oszillierende verdrängerpumpen mit integrierter sensorik zur verwendung in diesen verfahren - Google Patents

Verfahren zur früherkennung von ventilschäden in oszillierenden verdrängerpumpen und oszillierende verdrängerpumpen mit integrierter sensorik zur verwendung in diesen verfahren

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EP2326842A1
EP2326842A1 EP09743879A EP09743879A EP2326842A1 EP 2326842 A1 EP2326842 A1 EP 2326842A1 EP 09743879 A EP09743879 A EP 09743879A EP 09743879 A EP09743879 A EP 09743879A EP 2326842 A1 EP2326842 A1 EP 2326842A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
cylinder
valve
pump
damage
Prior art date
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Granted
Application number
EP09743879A
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English (en)
French (fr)
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EP2326842B1 (de
Inventor
Ronald Schmidt
Eberhard Schlücker
Piotr Reichel-Lesnianski
Peter Pawlitzki
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.)
Schaefer & Urbach GmbH
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Original Assignee
Schafer & Urbach & Co KG GmbH
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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
Application filed by Schafer & Urbach & Co KG GmbH, Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg filed Critical Schafer & Urbach & Co KG GmbH
Publication of EP2326842A1 publication Critical patent/EP2326842A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2326842B1 publication Critical patent/EP2326842B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • 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
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/06—Valve parameters
    • F04B2201/0603—Valve wear
    • 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
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/06—Valve parameters
    • F04B2201/0604—Valve noise
    • 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
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/08—Cylinder or housing parameters
    • F04B2201/0802—Vibration

Definitions

  • the present invention relates to novel methods for the early detection of valve damage in oscillating positive displacement pumps.
  • the present invention relates to new oscillating displacement pumps with integrated sensors for non-invasive pressure measurement and non-invasive measurement of structure-borne noise.
  • the present invention relates to the novel use of the new reciprocating positive displacement pumps for the new methods of early detection of valve damage.
  • Oscillating positive displacement pumps transfer energy to liquids through a (oscillating) displacer reciprocating in the pump working space.
  • the oscillating movement of the displacer causes a periodic increase and decrease in the working space, the demarcation compared to pressure and suction line by valves, especially automatic valves, takes place.
  • An essential feature of oscillating positive displacement pumps is the principle-related separation of the pressure and suction lines by at least one closed valve. In contrast to rotating positive displacement pumps and centrifugal pumps, virtually no leakage flows occur as long as the valves are tight.
  • the performance-related delimitation of the pump working space is almost exclusively carried out by automatic valves.
  • careful design of all components such as the geometry of the closing body and seat, feathering, materials, etc., is indispensable.
  • Typical problems due to faulty valves are overpressure peaks when opening the pressure valves, negative pressure peaks when opening the suction valves, high noise emission and above all faster wear.
  • the valve design and valve damage therefore have a major impact on the reliability and efficiency of the pumps.
  • the pressure curve and structure-borne noise can be used to detect valve damage.
  • Correlation coefficient is dimensionless and can take values between -1 and +1.
  • the object of the invention was to provide new oscillating displacement pumps which are particularly suitable for use in the new methods.
  • the new method for early detection of valve damage in an oscillating positive displacement pump with three or more cylinders each comprising a driven displacer, a cylinder housing, a working space, a suction valve, a pressure valve and a cylinder head, found by signal-based evaluation of measured pressure and structure-borne sound signals, which comprises the following method steps:
  • the new method of early detection of multiple valve failures in a reciprocating positive displacement pump having three or more cylinders with a common pumphead, the cylinders each comprising a driven displacer, a cylinder housing, a working space, a suction valve and a pressure valve, has been measured by signal-based evaluation of measured pressure. and structure-borne sound signals found, comprising the following steps:
  • the new oscillating displacement pump with three or more cylinders each comprising a driven displacer, a cylinder housing, a working space, a suction valve, a pressure valve and a cylinder head, found in which at each cylinder on a wall to the working space, a strain gauge DMS not Invasive pressure measurement and a sensor for non-invasive measurement of structure-borne noise with the necessary electrical connection points for power supply lines and signal derivatives are integrated.
  • oscillating positive displacement pumps and in particular the positive displacement pumps according to the invention could be excellently monitored by the methods according to the invention also remotely, for example via the Internet or via computer leased lines. Therefore, a large number of oscillating positive displacement pumps could be centrally monitored at different locations, which is a further particular advantage of the invention.
  • the sensors no longer had to be calibrated, since the methods according to the invention were based on normalized signal changes.
  • the sensors could be mounted on the oscillating positive displacement pumps within certain limits where the mounting involved the least expenditure. This also facilitated the production of the positive displacement pump according to the invention, which was technically and economically advantageous.
  • the methods according to the invention are used for the early detection of valve damage in oscillating positive displacement pumps.
  • the oscillating displacement pumps have three or more, preferably three to five and in particular three cylinders.
  • Each cylinder includes a driven displacer.
  • the displacer is a plunger, a mechanically hinged membrane or a hydraulically articulated membrane, in particular a plunger.
  • the oscillating positive displacement pump is a plunger pump, a diaphragm pump with a mechanically articulated membrane or a hydraulically articulated diaphragm pump or piston diaphragm pump, in particular a plunger pump.
  • the drive for the displacer may be a Geradschubkurbelantrieb, a Federnockentriebtechnik with phase-controlled stroke adjustment or a magnetic linear drive.
  • a Geradschubkurbelantrieb is used.
  • the cylinder comprises a cylinder housing, a working space, a suction valve, a pressure valve and a cylinder head.
  • the cylinders of the oscillating positive displacement pumps in particular the oscillating positive displacement pumps according to the invention, can also have a common pump head.
  • the suction valve and the pressure valve are preferably automatic.
  • loaded ball valves, plate valves, mushroom valves or conical valves are used.
  • the oscillating displacement pumps in particular the positive displacement pumps according to the invention, can still be equipped with a conventional and known trigger or incremental encoder, by means of which the speed of the pump can be determined if necessary.
  • a conventional and known trigger or incremental encoder by means of which the speed of the pump can be determined if necessary.
  • the oscillating positive displacement pumps in particular the oscillating positive displacement pumps according to the invention, can be used in many ways.
  • they can be used as metering pumps, for example for precise metering of fluids in the laboratory, as industrial pumps, for example in chemical plants, process plants and in refinery technology, or as flushing pumps, for example, for horizontal and deep drilling in the oil industry, construction or geothermal.
  • the delivered volume flows can be up to several 100 m 3 / h at working pressures up to several 1,000 bar.
  • strain gauges DMS which on the wall to the working space, e.g. are mounted on the circumference of the piston liners, measured. It is a further particular advantage of the methods according to the invention that all conventional and known types of strain gauges DMS can be used.
  • the pressure measurement is preferably carried out piezoelectrically by means of semiconductor DMS.
  • the resulting strain gage signal does not have to be calibrated, but it is sufficient to indicate the pressure in volts, because it depends solely on the pressure change when opening and closing the valves in the suction and pressure stroke.
  • the maximum or minimum pressure measured during the entire recording is determined and its difference divided into 100 equal intervals. Then, the relative frequency at which each data point falls within one of the 100 intervals is determined.
  • the absolute maximum in the thus determined histogram above the 50th interval is considered to be the mean pressure of the pressure stroke, and the absolute maximum below the 50th interval is considered to be the mean pressure of the suction stroke.
  • the displacer is preferably in each case a window of preferably ⁇ 5% of the stroke is hidden. This means that the pressure profile is first digitized and then the rising and falling edges are determined. Around the detected edges around then the blanking window is placed. The partial strokes of the individual pistons at the beginning and at the end of the measurement are completely ignored in each case, ie the evaluation basically begins with the first edge in the digital pressure curve and ends at the last edge. This procedure is easy to automate.
  • the course of the structure-borne noise during the suction stroke and during the pressure stroke is determined on each cylinder by the measurement of the vibration acceleration in volts and the calculation of the effective values a e n.
  • the effective value of a e n can by using the equation (1) or calculated by using the equation (2) can be approximately calculated:
  • the rms values a eff are calculated using equation (1), the integral preferably being calculated according to the chordal trapezoidal method
  • the vibration acceleration is measured by means of conventional and known piezoelectric accelerometer as sensors, since they have better dynamics compared to displacement and fast sensors.
  • the correlation coefficient r a, p is the normalized covariance of the two signals pressure and structure-borne sound.
  • a value of the correlation coefficient near +1 or -1 indicates a high positive or negative linear relationship of the two signals, while a value of 0 indicates that the time courses of structure-borne sound and pressure are independent or at least correlate nonlinearly.
  • Damage to pressure valves can be detected by the same principle. Here then, however, the backflow of the fluid from the pressure side into the working space is responsible for the increased generation of noise.
  • a positive correlation coefficient r a, p indicates a defect at the suction valve
  • a negative correlation coefficient r ap indicates a pressure valve leakage
  • the calculation of the correlation coefficient r ap can likewise easily be automated.
  • the measured structure-borne sound signals and the pressure profile are measured continuously or at intervals and automatically evaluated in data processing systems, and the resulting correlation coefficients r a, p are stored permanently or for a certain amount of time. If appropriate, the measured signals can be compared with reference signals.
  • the storage and evaluation need not happen on site, but the measured signals can be transmitted via the Internet or via computer leased lines to a central data processing system, where their evaluation and storage take place.
  • an alarm This may be an audible and / or visual alarm. This alarm can be triggered locally on the defective pump and / or in a central switching point. In severe cases, emergency shutdown can be triggered with or without a previous alarm.
  • One skilled in the art may determine the appropriate threshold based upon his or her general knowledge and experience or on the basis of a few orienting attempts.
  • the second method according to the invention serves for the early detection and localization of multiple valve failures in an oscillating positive displacement pump, which comprises the components described above, the cylinders of which, however, have a common pump head, by signal-based evaluation of measured pressure and structure-borne noise signals.
  • the pressure measurement is carried out on each cylinder by means of strain gauges DMS, as described above.
  • the digitization of the pressure profile determined on the basis of the measured strain gage signals, as described above in the first method according to the invention, is carried out.
  • the windowing only has to be carried out for one cylinder or displacer, after which the windows for each cylinder can be calculated by shifting by 120 ° in each case.
  • the course of structure-borne noise during the suction stroke and during the pressure stroke only at a point of the pump head, where the course of structure-borne noise has the greatest sensitivity with the least noise, by measuring the vibration acceleration and calculation the effective values a e n in the damage state of the pump is determined.
  • the point of the pump head on which the course of structure-borne noise has the greatest sensitivity with the least noise at the same time can be determined by the person skilled in the art on the basis of his general knowledge, where appropriate with the aid of a few orienting experiments.
  • this point is in the region of the central cylinder head.
  • the effective value a e n in the good condition of the oscillating positive displacement pump is preferably used as substitute value, which can be determined automatically during the first startup and stored in a data processing system, in particular an embedded PC.
  • any other nonzero positive numerical value is also suitable.
  • this numerical value is not significantly greater than the effective value a e n in the good condition. Namely, the size of the selected number determines the sensitivity of the method according to the invention, with larger values reducing the sensitivity.
  • the calculation of the two fictitious vibration acceleration signals can be easily automated.
  • the correlation coefficient r a, p between the calculated fictitious vibration acceleration signals and the digitized pressure curve in the damage state of the pump is calculated.
  • this equation (3) is used.
  • a positive correlation coefficient r a, p in the Saugventiltest that exceeds a predetermined threshold indicates a defect in at least one suction valve.
  • valve damage determined in this way or the valve damage determined in this way is or will be assigned to a cylinder by measuring the effective values a e n of the structure-borne noise in the damage state during a stroke of a displacer with the effective values a e n at the flanks of the digitized pressure curve in the damage state compares.
  • An assignment to a cylinder is given if the effective value a e n changes exactly with the edges of a displacement stroke.
  • the measured structure-borne noise signals and the pressure curve are measured continuously or at intervals and automatically evaluated taking into account the fictitious vibration acceleration in data processing systems, and the resulting correlation coefficients r a, p are stored permanently or for a certain amount of time. If appropriate, the measured signals can be compared with reference signals.
  • the storage and evaluation need not happen on site, but the measured signals can be transmitted via the Internet or via computer leased lines to a central data processing system, where their evaluation and storage take place.
  • an alarm is automatically triggered an alarm.
  • This may be an acoustic and / or act optical alarm. This alarm can be triggered locally on the defective pump and / or in a central switching point. In severe cases, emergency shutdown can be triggered with or without a previous alarm.
  • One skilled in the art may determine the appropriate threshold based upon his or her general knowledge and experience or on the basis of a few orienting attempts.
  • the sensors described above are already integrated in the oscillating displacement pumps.
  • “Integrated” means that the sensors are installed in the displacement pumps according to the invention in the required places, so that the positive displacement pumps according to the invention are delivered with the sensors to the customer.
  • the sensors are built in such a way that they do not loosen or become damaged during long-term operation, but can be easily replaced if necessary. Suitable fastening devices are common and known.
  • the sensors can be integrated at the points where they can be mounted with the least effort.
  • the sensors of the positive displacement pump according to the invention are equipped with the necessary electrical connection points for power supply lines and signal derivatives, so that they can be easily connected to peripheral devices such as embedded PCs and other data processing systems.
  • the positive displacement pumps according to the invention can be used excellently for the processes according to the invention. They can be produced without much additional effort. They are robust and of long service life. Because of their excellent monitoring capabilities, they can be operated without any problems for a particularly long time at constantly high flow rates. Switch points on the valves can be detected very early, so that appropriate countermeasures can be taken without causing a long failure of the positive displacement pump according to the invention.
  • the pressure curve in each cylinder was measured in volts with the aid of a semiconductor strain gauge DMS attached to the respective cylinder.
  • the DMS signals of the three cylinders showed the expected pressure curve in the working space.
  • the DMS signals could be used to approximate the working space pressure.
  • the qualitative course of the structure-borne sound signals showed at each measuring point the typical peaks when opening and closing the valves. In addition, no abnormalities were present.
  • the delivery pressure showed no appreciable influence on the qualitative course of structure-borne noise. All three structure-borne noise sensors provided the same information content. However, the structure-borne sound course at the cylinder head of the cylinder Il (central cylinder head) showed the highest sensitivity with at the same time lowest noise.
  • the correlation coefficients r a; P were expected to be negative, indicating the pressure valve damage.
  • the results also showed that even at a relatively low pressure of 20 bar, at low speeds, the magnitude of the correlation coefficient r a, p increased by a factor of more than 10. This was sufficient to accept the correlation coefficient r a; P as a safe criterion for detecting valve damage.
  • the correlation was not so good, but even at high speed and higher pressures from 100 bar upwards, the increase in the amount of correlation coefficient r a; P was sufficient to be used as a criterion for valve damage .
  • a damaged suction valve and a damaged pressure valve were installed in cylinder I (experiments No. 1 1 to 13, see Table 3).
  • a damaged pressure valve was installed in the cylinder I and a damaged suction valve in the cylinder II (test No. 14, see Table 3).
  • the structure-borne sound signal was replaced once during the suction stroke and once during the compression stroke by a fictitious acceleration signal.
  • the previously measured and stored effective value a e n in the good condition of the pump was selected.
  • the correlation coefficient r a, p was calculated according to equation (3).
  • Suction valve damage occurred when the suction valve test for at least one cylinder indicated a positive correlation exceeding a predetermined threshold. Negative correlations in the suction valve test were therefore definitely an indication of an undamaged suction valve. Pressure valve damage occurred when the pressure valve test for at least one cylinder indicated a negative correlation that fell below a predetermined threshold. Positive correlations in the pressure valve test were therefore definitely an indication of an undamaged pressure valve.
  • Table 4 gives an overview of the calculated correlation coefficients r ap for the operation of the high-pressure submersible piston pump both in good condition (tests Nos. 1 to 3, see Table 1) and in the damaged condition (Tests Nos. 11 to 14, see Table 3) ).

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Abstract

Verfahren zur Früherkennung von Ventilschäden in oszillierenden Verdrängerpumpen mit drei oder mehr Zylindern mit oder ohne gemeinsamen Pumpenkopf durch signalbasierte Auswertung gemessener Druck- und Körperschallsignale, Digitalisierung der Drucksignale Berechnung von Korrelationskoeffizienten mittels Kovarianzanalyse unter Verwendung des Verlaufs des Körperschalls an jedem Zylinder bei Abwesenheit eines gemeinsamen Pumpenkopf oder unter Verwendung fiktiver Schwingungsbeschleunigungssignale für jeden Zylinder und Zuordnung eines Ventilschadens zu einem Zylinder bei Anwesenheit eines gemeinsamen Pumpenkopfs sowie Auslösen eines Alarms bei Überschreitung und/oder Unterschreitung vorgegebener Schwellenwerte für die Korrelationskoeffizienten sowie oszillierende Verdrängerpumpen mit integrierten Sensoren zur Verwendung in diesen Verfahren.

Description

Verfahren zur Früherkennung von Ventilschäden in oszillierenden Verdrängerpumpen und oszillierende Verdrängerpumpen mit integrierter Sensorik zur Verwendung in diesen Verfahren
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Verfahren zur Früherkennung von Ventilschäden in oszillierenden Verdrängerpumpen.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung neue oszillierende Verdrängerpumpen mit integrierten Sensoren für die nicht invasive Druckmessung und nicht invasive Messung des Körperschalls.
Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung die neuartige Verwendung der neuen oszillierenden Verdrängerpumpen für die neuen Verfahren zur Früherkennung von Ventilschäden.
Stand der Technik
Oszillierende Verdrängerpumpen übertragen Energie auf Flüssigkeiten durch einen im Pumpenarbeitsraum hin- und hergehenden (oszillierenden) Verdränger. Die oszillierende Bewegung des Verdrängers (starrer Kolben, elastische Membran oder Faltenbalg) bewirkt eine periodische Vergrößerung und Verkleinerung des Arbeitsraumes, dessen Abgrenzung gegenüber Druck- und Saugleitung durch Ventile, insbesondere selbsttätige Ventile, erfolgt.
Ein wesentliches Kennzeichen oszillierender Verdrängerpumpen besteht in der prinzipbedingten Trennung von Druck- und Saugleitung durch wenigstens ein geschlossenes Ventil. Im Gegensatz zu rotierenden Verdrängerpumpen und Kreiselpumpen treten praktisch keine Leckageströme auf, solange die Ventile dicht sind.
Die leistungsseitige Abgrenzung des Pumpenarbeitsraums erfolgt nahezu ausschließlich durch selbsttätige Ventile. Um zu gewährleisten, dass die Ventile ohne deutliche Verzögerung schließen und öffnen, ist eine sorgfältige Auslegung aller Komponenten wie die Geometrie von Schließkörper und Sitz, Befederung, Werkstoffe usw., unabdingbar. Typische Probleme infolge mangelhafter Ventile sind Überdruckspitzen beim Öffnen der Druckventile, Unterdruckspitzen beim Öffnen der Saugventile, hohe Geräuschemission und vor allem schneller Verschleiß. Die Ventilauslegung und Ventilschäden haben daher großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad der Pumpen.
Bekanntermaßen sind die Saug- und Druckventile einem ständigen Verschleiß unterworfen, der sich negativ auf die Förderleistung und die Dosiergenauigkeit auswirkt. In der Praxis wird daher versucht, dieses Problem dadurch zu vermeiden, dass man aus der Erfahrung heraus die Ventile rechtzeitig austauscht. Trotzdem lässt es sich nicht vermeiden, dass Ventile - häufig ohne Vorwarnung - vorzeitig ausfallen. Dies verursacht aufgrund der dann notwendigen sofortigen Betriebsunterbrechung unerwünschte wirtschaftliche und technische Folgeschäden.
Die Betreiber von oszillierenden Verdrängerpumpen sind daher bestrebt, Ventilschäden schon im Anfangsstadium, d. h. möglichst früh, zu erkennen, um rechtzeitig geeignete Maßnahmen ergreifen zu können, lange bevor es zu einer schweren Schädigung, die zu einem Pumpenstillstand mit langen Ausfallzeiten führt, kommen kann. Häufig scheitert dies aber daran, dass die bislang bekannten Verfahren zur Früherkennung eine niedrige Empfindlichkeit aufweisen, die nicht ausreicht, Ventilschäden im Frühstadium, wenn die Förderstromverluste noch gering sind, zu erkennen. Oder aber sie erfordern eine aufwändige Sensorik zur Erfassung zahlreicher unterschiedlicher Daten, die in aufwändiger Weise ausgewertet werden müssen.
Bekanntermaßen führt ein undichtes Druckventil zu einem schnellen Druckanstieg in der
Kompressionsphase und zu einem langsameren Druckabbau in der Dekompressionsphase.
Im Falle eines defekten Saugventils sind die Verhältnisse gerade umgekehrt: Infolge der Leckageströmung in die Saugleitung wird mehr Kolbenweg zur Kompression benötigt; das
Entspannen auf das Niveau des Saugdrucks ist schneller abgeschlossen. Die betreffenden
Schäden lassen sich anhand von Indikatordiagrammen für den Druckverlauf detektieren.
Außerdem führen diese Schäden zu einer verstärkten Emission von Körperschall beim
Öffnen und Schließen der Ventile.
Grundsätzlich können Druckverlauf und Körperschall für die Erkennung von Ventilschäden genutzt werden.
Die folgenden Literaturstellen geben einen Überblick über die bisher bekannten Methoden zur Störungsfrüherkennung an oszillierenden Verdrängerpumpen: Falko Haus, Methoden zur Störungsfrüherkennung an oszillierenden Verdrängerpumpen, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 8, Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, Nr. 1109, Berichte aus dem Institut für Automatisierungstechnik der TU Darmstadt, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf, 2006, und
Ulrich Klapp, Überwachung und Fehlerdiagnose an oszillierenden Verdrängerpumpen, Dissertation, 2004, Schriftenreihe des Lehrstuhls für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg, Shaker Verlag, Aachen, 2005.
Die Anlagenzustandsüberwachung durch tiefendiagnostische Auswertung von Körperschallsignalen unter Verwendung der embedded PC-Technologie ist von R. Schmidt, E. Schlucker und O. Schade, Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, in dem Vortrag "Anlagenzustandsüberwachung durch tiefendiagnostische Auswertung von Körperschallsignalen" anlässlich der Processnet in Aachen im Oktober 2007 beschrieben worden.
In seiner Dissertation beschreibt Ulrich Klapp bereits, dass der von einer Pumpe emittierte Körperschall anhand des statistischen Zusammenhangs zwischen Druck- und Schallsignal mithilfe des Pearson'schen Korrelationskoeffizienten bewertet werden kann. Dieser
Korrelationskoeffizient ist dimensionslos und kann Werte zwischen -1 und +1 einnehmen.
Während Korrelationskoeffizienten von -1 und +1 auf einen vollständig negativ oder positiv linearen Zusammenhang der beiden Signale hindeuten, bedeutet ein Wert von 0 oder nahe 0, dass die Zeitverläufe von Körperschall und Druck unabhängig voneinander sind, weil das
Schwingungsgeschehen vom Schließen der Ventile dominiert wird: Während das Saugventil bei niedrigem Druck schließt, spricht das Druckventil bei Förderdruck an. Folglich besteht kein Zusammenhang zwischen Schwingungsintensität und Druckniveau. Somit ermöglicht die Bildung des Korrelationskoeffizienten eine Bewertung des Schallsignals der Pumpe, ohne dass Referenzenwerte für den ungestörten Zustand bekannt sein müssen. Allerdings wird dieses Konzept nur anhand einer Simplexpumpe mit einem Zylinder getestet.
Verfahren zur Störungsfrüherkennung an oszillierenden Verdrängerpumpen durch Überwachung der Pulsation des Förderstroms beziehungsweise des Drucks an der Druckseite werden in dem deutschen Patent DE 196 25 947 C1 beschrieben. Verfahren zur Überwachung und zur automatischen Störungsfrüherkennung von Ventilen durch Messung des Körperschalls oder Betriebsgeräuschs und deren Vergleich mit einem vom Betriebsgeräusch der Pumpe mit intakten Ventilen gebildeten Referenzsignalpegel gehen aus dem deutschen Patent DE 103 22 220 2004.10.07 hervor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, neue Verfahren zur Früherkennung von Ventilschäden in oszillierenden Verdrängerpumpen mit drei oder mehr Zylindern zu finden, die die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufweisen, sondern die es gestatten, mit messtechnisch geringem Aufwand, d. h. ohne aufwändige Sensorik, und mit einem geringen Aufwand bei der Auswertung rasch, zuverlässig und mit hoher Empfindlichkeit Ventilschäden bereits im Anfangsstadium, wenn die Förderstromverluste noch gering sind, zu detektieren. Dadurch soll es möglich werden, rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen, lange bevor es zu einer schweren Schädigung, die zu einem Pumpenstillstand mit langen Ausfallzeiten führt, kommen kann.
Außerdem sollen die neuen Verfahren es in einfacher Weise gestatten zu bestimmen, welche Ventile (Druckventile oder Saugventile) Schäden aufweisen und in welchen Zylindern sie lokalisiert sind.
Des Weiteren lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, neue oszillierende Verdrängerpumpen bereitzustellen, die sich besonders gut zur Verwendung in den neuen Verfahren eignen.
Erfindungsgemäße Lösung
Demgemäß wurde das neue Verfahren zur Früherkennung eines Ventilschadens in einer oszillierenden Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern, jeweils umfassend einen angetriebenen Verdränger, ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil, ein Druckventil und einen Zylinderkopf, durch signalbasierte Auswertung gemessener Druck- und Körperschallsignale gefunden, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
(1 ) Druckmessung an jedem Zylinder mittels Dehnungsmessstreifen DMS, (2) Digitalisierung der gemessenen DMS-Signale durch Approximation durch eine Rechteckfunktion zum Auffinden der steigenden und fallenden Flanken des Druckverlaufs für jeden Zylinder,
(3) Bestimmung des Verlaufs des Körperschalls während des Saughubs und während des Druckhubs an jedem Zylinderkopf durch Messung der Schwingungsbeschleunigung und Berechnung der Effektivwerte aefτ,
(4) Berechnung des Korrelationskoeffizienten ra,p zwischen dem Anstieg der Schwingungsbeschleunigung des Körperschalls und dem digitalisierten Druckverlauf für jeden Kolben durch Kovarianzanalyse, wobei ein positiver Korrelationskoeffizient ra,p, der einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, einen Defekt am Saugventil und ein negativer Korrelationskoeffizient ra p, der den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, einen Defekt am Druckventil anzeigt, und
(5) automatische Auslösung eines Alarms bei Überschreitung oder Unterschreitung des vorgegebenen Schwellenwerts für den Korrelationskoeffizienten ra p.
Außerdem wurde das neue Verfahren zur Früherkennung multipler Ventilschäden in einer oszillierenden Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern mit einem gemeinsamen Pumpenkopf, wobei die Zylinder jeweils einen angetriebenen Verdränger, ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil und ein Druckventil umfassen, durch signalbasierte Auswertung gemessener Druck- und Körperschallsignale gefunden, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
(1 ) Druckmessung an jedem Zylinder mittels Dehnungsmessstreifen DMS,
(2) Digitalisierung des anhand der gemessenen DMS-Signale ermittelten Druckverlaufs durch Approximation durch eine Rechteckfunktion zum Auffinden der steigenden und fallenden Flanken des Druckverlaufs für jeden Zylinder,
(3) Bestimmung des Verlaufs des Körperschalls während des Saughubs und während des Druckhubs an einer Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, durch Messung der Schwingungsbeschleunigung und Berechnung der Effektivwerte aefτ im Schadenszustand der Pumpe, (4) Berechnung zweier fiktiver Schwingungsbeschleunigungssignale für jeden Zylinder aus der gemessenen Schwingungsbeschleunigung im Schadenszustand der Pumpe derart, dass zu Zwecken des Saugventiltests einmal während des Saughubs und zu Zwecken des Druckventiltests einmal während des Druckhubs der gemessene
Verlauf durch einen Ersatzwert ersetzt wird,
(5) Berechnung des Korrelationskoeffizienten ra,p zwischen den berechneten fiktiven Schwingungsbeschleunigungssignalen und dem digitalisierten Druckverlauf im Schadenszustand der Pumpe durch Kovarianzanalyse, wobei ein positiver
Korrelationskoeffizient ra,p beim Saugventiltest, der einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, einen Defekt an mindestens einem Saugventil und ein negativer Korrelationskoeffizient ra,p beim Druckventiltest, der einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, einen Defekt an mindestens einem Druckventil anzeigt,
(6) Zuordnung eines Ventilschadens zu einem Zylinder durch Vergleich der Effektivwerte aeff des Körperschalls im Schadenszustand während eines Hubs eines Verdrängers mit den Effektivwerten aen an den Flanken des digitalisierten Druckverlaufs im Schadenszustand, wobei eine Zuordnung zu einem Zylinder gegeben ist, wenn sich der Effektivwert aen genau mit den Flanken eines Verdrängerhubs ändert, sowie
(7) automatische Auslösung eines Alarms bei Überschreitung und/oder Unterschreitung vorgegebener Schwellenwerte für den Korrelationskoeffizienten ra,p.
In Folgenden werden die neuen Verfahren zusammenfassend als »erfindungsgemäße Verfahren« bezeichnet.
Des Weiteren wurden die neuen oszillierenden Verdrängerpumpen mit drei oder mehr Zylindern, jeweils umfassend einen angetriebenen Verdränger, ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil, ein Druckventil und einen Zylinderkopf, gefunden, worin an jedem Zylinder an einer Wand zum Arbeitsraum ein Dehnungsmessstreifen DMS zur nicht invasiven Druckmessung und ein Sensor zur nicht invasiven Messung des Körperschalls mit den erforderlichen elektrischen Anschlussstellen für Stromzuleitungen und Signalableitungen integriert sind. Nicht zuletzt wurden die neuen oszillierenden Verdrängerpumpen mit drei oder mehr Zylindern mit einem gemeinsamen Pumpenkopf, wobei die Zylinder jeweils einen angetriebenen Verdränger, ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil, ein Druckventil und einen Zylinderkopf umfassen, gefunden, worin an jedem Zylinder an einer Wand zum Arbeitsraum ein Dehnungsmessstreifen DMS zur nicht invasiven Druckmessung und an einer Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, zusätzlich noch ein Sensor zur nicht invasiven Messung des Körperschalls mit den erforderlichen elektrischen Anschlussstellen integriert sind.
Im Folgenden werden die neuen oszillierenden Verdrängerpumpen zusammenfassend als »erfindungsgemäße Verdrängerpumpen« bezeichnet.
Ferner wurde die Verwendung der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen in den erfindungsgemäßen Verfahren gefunden, was im Folgenden als »erfindungsgemäße Verwendung« bezeichnet wird.
Vorteile der Erfindung
Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde lag, mithilfe der erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen und der erfindungsgemäßen Verwendung gelöst werden konnte.
Insbesondere war es überraschend, dass die erfindungsgemäßen Verfahren, die erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen und die erfindungsgemäße Verwendung es ermöglichten, mit messtechnisch geringem Aufwand, d. h. ohne aufwändige Sensorik, und mit einem geringen Aufwand bei der Auswertung rasch, zuverlässig und mit hoher Empfindlichkeit Ventilschäden bereits im Anfangsstadium, wenn die Förderstromverluste noch gering waren, zu detektieren. Dadurch war es möglich geworden, rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen, lange bevor es zu einer schweren Schädigung, die zu einem Pumpenstillstand mit langen Ausfallzeiten führt, kommen konnte.
Besonders überraschte, dass es die erfindungsgemäßen Verfahren gestatteten, in einfacher Weise ohne Sensoren an jedem Ventil zu bestimmen, welche Ventile (Druckventile oder Saugventile) Schäden aufwiesen und in welchen Zylindern sie lokalisiert waren. Des Weiteren war es überraschend, dass die erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen ohne großen zusätzlichen Aufwand hergestellt werden konnten, sehr robust und von langer Gebrauchsdauer waren und aufgrund ihrer hervorragenden Überwachungsmöglichkeiten besonders lange bei konstant hohen Förderleistungen betrieben werden konnten.
Insgesamt konnten oszillierende Verdrängerpumpen und insbesondere die erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen mithilfe der erfindungsgemäßen Verfahren auch aus der Ferne, beispielsweise über das Internet oder über Computer-Standleitungen, hervorragend überwacht werden. Deshalb konnte auch eine große Anzahl von oszillierenden Verdrängerpumpen an unterschiedlichen Standorten zentral überwacht werden, was ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung ist.
Darüber hinaus ergaben sich überraschenderweise noch weitere besondere Vorteile:
Die erfindungsgemäßen Verfahren benötigten kein Triggersignal mehr, weswegen bei den erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen auf Trigger oder Inkrementalgeber verzichtet werden konnte, was ihre Herstellung vereinfachte.
- Bei den erfindungsgemäßen Verfahren mussten die Sensoren nicht mehr kalibriert werden, da die erfindungsgemäßen Verfahren auf normalisierten Signaländerungen basierten.
Die Sensoren konnten zu Zwecken der erfindungsgemäßen Verfahren an den oszillierenden Verdrängerpumpen innerhalb bestimmter Grenzen dort angebracht werden, wo das Anbringen den geringsten Aufwand mit sich brachte. Dies erleichterte auch die Herstellung der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen, was technisch und wirtschaftlich von Vorteil war.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Verfahren dienen der Früherkennung von Ventilschäden in oszillierenden Verdrängerpumpen.
Die oszillierenden Verdrängerpumpen weisen drei oder mehr, vorzugsweise drei bis fünf und insbesondere drei Zylinder auf. Jeder Zylinder umfasst einen angetriebenen Verdränger. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Verdränger um einen Tauchkolben, eine mechanisch angelenkte Membran oder eine hydraulisch angelenkte Membran, insbesondere um einen Tauchkolben. Demgemäß ist die oszillierenden Verdrängerpumpe eine Tauchkolbenpumpe, eine Membranpumpe mit mechanisch angelenkter Membran oder eine hydraulisch angelenkte Membranpumpe oder Kolben-Membranpumpe, insbesondere eine Tauchkolbenpumpe.
Der Antrieb für den Verdränger kann ein Geradschubkurbelantrieb, ein Federnockentriebwerk mit phasenanschnittsgesteuerter Hubverstellung oder ein magnetischer Linearantrieb sein. Vorzugsweise wird ein Geradschubkurbelantrieb verwendet.
Außerdem umfasst der Zylinder ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil, ein Druckventil und einen Zylinderkopf.
Die Zylinder der oszillierenden Verdrängerpumpen, insbesondere der erfindungsgemäßen oszillierenden Verdrängerpumpen, können auch einen gemeinsamen Pumpenkopf haben.
Das Saugventil und das Druckventil sind vorzugsweise selbsttätig. Bevorzugt werden belastete Kugelventile, Plattenventile, Pilzventile oder Kegelventile verwendet.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren können die oszillierenden Verdrängerpumpen, insbesondere die erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen, noch mit einem üblichen und bekannten Trigger oder Inkrementalgeber ausgestattet sein, mit dessen Hilfe bei Bedarf die Drehzahl der Pumpe bestimmt werden kann. Es ist aber ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen oszillierenden Verdrängerpumpen, dass kein Trigger benötigt wird.
Die oszillierenden Verdrängerpumpen, insbesondere die erfindungsgemäßen oszillierenden Verdrängerpumpen, können vielseitig verwendet werden. Insbesondere können sie als Dosierpumpen, beispielsweise zur genauen Dosierung von Fluiden im Labor, als Industriepumpen beispielsweise in Chemieanlagen, Prozessanlagen und in der Raffinerietechnik, oder als Spülpumpen beispielsweise für die Horizontal- und Tiefbohrtechnik in der Ölindustrie, Bauindustrie oder Geothermie eingesetzt werden. Dabei können die geförderten Volumenströme bis zu mehreren 100 m3/h bei Arbeitsdrücken bis mehrere 1.000 bar betragen.
Das erste erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut geeignet für die Früherkennung eines Ventilschadens in einer oszillierenden Verdrängerpumpe, insbesondere in einer erfindungsgemäßen oszillierenden Verdrängerpumpe, worin jeder Zylinder einen eigenen Zylinderkopf aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der signalbasierten Auswertung gemessener Druck- und Körperschallsignale.
Dabei wird der Druck im Arbeitsraum jedes Zylinders mittels Dehnungsmessstreifen DMS, die an der Wand zum Arbeitsraum, z.B. am Umfang der Kolbenbuchsen angebracht sind, gemessen. Es ist ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren, dass alle üblichen und bekannten Typen von Dehnungsmessstreifen DMS verwendet werden können.
Vorzugsweise erfolgt die Druckmessung piezoelektrisch mithilfe von Halbleiter-DMS. Das resultierende DMS-Signal muss nicht kalibriert sein, sondern es reicht die Angabe des Drucks in Volt aus, weil es alleine auf die Druckänderung beim Öffnen und Schließen der Ventile im Saug- und Druckhub ankommt.
Zur Auswertung der gemessenen DMS-Signale wird der Druckverlauf digitalisiert, d. h. ,der gemessene Druckverlauf wird durch eine Rechteckfunktion approximiert, um die steigenden und fallenden Flanken des Druckverlaufs für jeden Zylinder zu finden. Die Zeitpunkte oder die Kurbelwinkel der Flanken entsprechen dann den jeweiligen Endpunkten der Saug- und Druckhübe.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Druckverlaufs der maximale oder minimale, während der gesamten Aufzeichnung gemessene Druck ermittelt und ihre Differenz in 100 gleiche Intervalle geteilt. Anschließend wird die relative Häufigkeit, mit der die einzelnen Datenpunkte in eines der 100 Intervalle fallen, ermittelt. Das absolute Maximum in dem so ermittelten Histogramm oberhalb des 50-sten Intervalls wird als mittlerer Druck des Druckhubs betrachtet, und das absolute Maximum unterhalb des 50-sten Intervalls wird als mittlerer Druck des Saughubs angesehen.
Zu Zwecken der vorteilhaften Auswertung des Körperschalls wird bei der Approximation an den unteren und oberen Totpunkten der Verdränger vorzugsweise jeweils ein Fenster von bevorzugt ±5% des Hubs ausgeblendet. Dies bedeutet, dass der Druckverlauf zunächst digitalisiert wird und dann die steigenden und fallenden Flanken ermittelt werden. Um die ermittelten Flanken herum wird dann das auszublende Fenster gelegt. Die Teilhübe der einzelnen Kolben am Anfang und am Ende der Messung werden jeweils komplett ignoriert, d. h., die Auswertung beginnt grundsätzlich mit der ersten Flanke im digitalen Druckverlauf und endet an der letzten Flanke. Dieses Verfahren lässt sich leicht automatisieren.
Der Verlauf des Körperschalls während des Saughubs und während des Druckhubs wird an jedem Zylinder durch die Messung der Schwingungsbeschleunigung in Volt und die Berechnung der Effektivwerte aen ermittelt. Bekanntermaßen kann der Effektivwert aen mithilfe der Gleichung (1 ) berechnet oder mithilfe der Gleichung (2) angenähert berechnet werden:
Vorzugsweise werden die Effektivwerte aeff mithilfe der Gleichung (1 ) berechnet, wobei das Integral vorzugsweise nach dem Sehnen-Trapezverfahren berechnet wird
Zur Messung des Körperschalls können die üblichen und bekannten Sensoren verwendet werden.
Vorzugsweise wird die Schwingungsbeschleunigung mithilfe üblicher und bekannter piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer als Sensoren gemessen, da sie eine bessere Dynamik im Vergleich zu Weg- und Schnellesensoren aufweisen.
Für die Speicherung und Auswertung der gemessenen Signale können alle üblichen und bekannten Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden, sofern sie eine ausreichende Rechen- und Speicherkapazität haben. Vorzugsweise wird ein embedded PC verwendet, wie er von R. Schmidt, E. Schlucker und O. Schade, Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Friedrich-Alexander- Universität Erlangen-Nürnberg, in "Anlagenzustandsüberwachung durch tiefendiagnostische Auswertung von Körperschallsignalen", Vortrag gehalten bei Processnet, Aachen, Oktober 2007, beschrieben wird.
Im nächsten Verfahrenschritt wird der Korrelationskoeffizient ra,p zwischen dem Anstieg der Schwingungsbeschleunigung des Körperschalls und dem digitalisierten Druckverlauf für jeden Zylinder durch Kovarianzanalyse berechnet. Bekanntermaßen kann hierzu Gleichung (3) verwendet werden:
Der Korrelationskoeffizient ra,p ist die auf +1 normierte Kovarianz der beiden Signale Druck und Körperschall. Ein Wert des Korrelationskoeffizienten nahe von +1 oder -1 deutet auf einen hohen positiven beziehungsweise negativen linearen Zusammenhang der beiden Signale hin, während ein Wert von 0 anzeigt, dass die Zeitverläufe von Körperschall und Druck unabhängig voneinander sind oder zumindest nichtlinear korrelieren.
Physikalisch wird dabei ausgenutzt, dass bei einem geschädigten Saugventil während des Druckhubs Fluid aus dem Arbeitsraum auf die Saugseite zurück gedrückt wird, das dann beim Durchströmen der schmalen Schadstelle zu kavitieren beginnt. Die bei der Kavitation entstehenden Geräusche bewirken ein Ansteigen der Schwingungsbeschleunigung des Körperschalls während des Druckhubs und damit eine bessere Korrelation des Körperschalls mit dem Druckverlauf als im fehlerfreien Zustand.
Schäden an Druckventilen können nach dem gleichen Prinzip erkannt werden. Hier ist dann allerdings das Zurückströmen des Fluids von der Druckseite in den Arbeitsraum für die vermehrte Geräuschentstehung verantwortlich.
Demnach deutet ein positiver Korrelationskoeffizient ra,p auf einen Defekt am Saugventil hin, während ein negativer Korrelationskoeffizient ra p auf eine Druckventilleckage hindeutet.
Die Berechnung des Korrelationskoeffizienten ra p lässt sich ebenfalls leicht automatisieren. Vorzugsweise werden die gemessenen Körperschallsignale und der Druckverlauf kontinuierlich oder in Intervallen gemessen und in Datenverarbeitungsanlagen automatisch ausgewertet, und die resultierenden Korrelationskoeffizienten ra,p werden auf Dauer oder eine gewisse Zeit lang gespeichert. Gegebenenfalls können die gemessenen Signale mit Referenzsignalen verglichen werden.
Die Speicherung und Auswertung muss nicht vor Ort geschehen, sondern die gemessenen Signale können über das Internet oder über Computer-Standleitungen an eine zentrale Datenverarbeitungsanlage übermittelt werden, wo ihre Auswertung und Speicherung stattfinden.
Ergibt die Auswertung, dass der Korrelationskoeffizient ra,p einen vorgegebenen Schwellenwert für dem Korrelationskoeffizienten ra,p überschreitet oder unterschreitet, wird automatisch ein Alarm ausgelöst. Dabei kann es sich um einen akustischen und/oder optischen Alarm handeln. Dieser Alarm kann vor Ort an der schadhaften Pumpe und/oder in einer zentralen Schaltstelle ausgelöst werden. In schweren Fällen kann mit oder ohne einen vorhergehenden Alarm auch eine Notabschaltung ausgelöst werden.
Der Fachmann kann den jeweils geeigneten Schwellenwert aufgrund seines allgemeinen Fachwissens und seiner Erfahrung oder anhand einiger weniger orientierender Versuche festlegen.
Das zweite erfindungsgemäße Verfahren dient der Früherkennung und Lokalisierung multipler Ventilschäden in einer oszillierenden Verdrängerpumpe, die die vorstehend beschriebenen Bestandteile umfasst, deren Zylinder indes einen gemeinsamen Pumpenkopf aufweisen, durch signalbasierte Auswertung gemessener Druck- und Körperschallsignale.
Wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bei dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren die Druckmessung an jedem Zylinder mittels Dehnungsmessstreifen DMS, wie vorstehend beschrieben.
Ebenso wird die Digitalisierung des anhand der gemessenen DMS-Signale ermittelten Druckverlaufs, wie vorstehend bei dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, durchgeführt. Im Unterschied zu dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren muss aber die Fensterung nur für einen Zylinder beziehungsweise Verdränger durchgeführt werden, wonach die Fenster für jeden Zylinder durch Verschieben um jeweils 120° berechnet werden können.
Für das zweite erfindungsgemäße Verfahren ist es wesentlich, dass der Verlauf des Körperschalls während des Saughubs und während des Druckhubs nur noch an einer Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, durch Messung der Schwingungsbeschleunigung und Berechnung der Effektivwerte aen im Schadenszustand der Pumpe bestimmt wird.
Die Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, kann der Fachmann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einiger weniger orientierender Versuche ermitteln. Vorzugsweise liegt diese Stelle im Bereich des mittigen Zylinderkopfs.
Außerdem ist es wesentlich, dass für jeden Zylinder zwei fiktive Schwingungsbeschleunigungssignale aus der gemessenen Schwingungsbeschleunigung im Schadenszustand der Pumpe berechnet werden. Dies geschieht derart, dass zu Zwecken des Saugventiltests einmal während des Saughubs und zu Zwecken des Druckventiltests einmal während des Druckhubs der gemessene Verlauf durch einen Ersatzwert ersetzt wird.
Der Fachmann kann den Ersatzwert aufgrund seines allgemeinen Fachwissens und seiner Erfahrung und/oder anhand einiger weniger orientierender Versuche festlegen.
Vorzugsweise wird als Ersatzwert der Effektivwert aen im Gutzustand der oszillierenden Verdrängerpumpe verwendet, der automatisch bei der ersten Inbetriebnahme ermittelt und in einer Datenverarbeitungsanlage, insbesondere einem embedded PC, abgespeichert werden kann. Geeignet ist jedoch auch jeder andere von Null verschiedene positive Zahlenwert. Vorzugsweise ist dieser Zahlenwert nicht wesentlich größer als der Effektivwert aen im Gutzustand. Die Größe der gewählten Zahl bestimmt nämlich die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei größere Werte die Empfindlichkeit verringern.
Die Berechnung der beiden fiktiven Schwingungsbeschleunigungssignale lässt sich leicht automatisieren. Durch Kovarianzanalyse wird der Korrelationskoeffizient ra,p zwischen den berechneten fiktiven Schwingungsbeschleunigungssignalen und dem digitalisierten Druckverlauf im Schadenszustand der Pumpe berechnet. Vorzugsweise wird hierzu Gleichung (3) herangezogen.
Dabei zeigt ein positiver Korrelationskoeffizient ra,p beim Saugventiltest, der einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, einen Defekt an mindestens einem Saugventil an. Ein negativer Korrelationskoeffizient ra,p beim Druckventiltest, der einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, zeigt dagegen einen Defekt an mindestens einem Druckventil an.
Der in dieser Weise ermittelte Ventilschaden oder die in dieser Weise ermittelten Ventilschäden wird oder werden einem Zylinder zugeordnet, indem man die Effektivwerte aen des Körperschalls im Schadenszustand während eines Hubs eines Verdrängers mit den Effektivwerten aen an den Flanken des digitalisierten Druckverlaufs im Schadenszustand vergleicht. Eine Zuordnung zu einem Zylinder ist gegeben, wenn sich der Effektivwert aen genau mit den Flanken eines Verdrängerhubs ändert.
Sowohl die Berechnung des Korrelationskoeffizienten ra,p als auch die Zuordnung des Ventilschadens oder der Ventilschäden zu einem Zylinder lassen sich leicht automatisieren.
Vorzugsweise werden dabei die gemessenen Körperschallsignale und der Druckverlauf kontinuierlich oder in Intervallen gemessen und unter Berücksichtigung der fiktiven Schwingungsbeschleunigungssignale in Datenverarbeitungsanlagen automatisch ausgewertet, und die resultierenden Korrelationskoeffizienten ra,p werden auf Dauer oder eine gewisse Zeit lang gespeichert. Gegebenenfalls können die gemessenen Signale mit Referenzsignalen verglichen werden.
Die Speicherung und Auswertung muss nicht vor Ort geschehen, sondern die gemessenen Signale können über das Internet oder über Computer-Standleitungen an eine zentrale Datenverarbeitungsanlage übermittelt werden, wo ihre Auswertung und Speicherung stattfinden.
Ergibt die Auswertung, dass der Korrelationskoeffizient ra,p einen vorgegebenen Schwellenwert für den Korrelationskoeffizienten ra,p überschreitet oder unterschreitet, wird automatisch ein Alarm ausgelöst. Dabei kann es sich um einen akustischen und/oder optischen Alarm handeln. Dieser Alarm kann vor Ort an der schadhaften Pumpe und/oder in einer zentralen Schaltstelle ausgelöst werden. In schweren Fällen kann mit oder ohne einen vorhergehenden Alarm auch eine Notabschaltung ausgelöst werden.
Der Fachmann kann den jeweils geeigneten Schwellenwert aufgrund seines allgemeinen Fachwissens und seiner Erfahrung oder anhand einiger weniger orientierender Versuche festlegen.
Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn die vorstehend beschriebenen Sensoren bereits in die oszillierenden Verdrängerpumpen integriert sind. "Integriert" bedeutet, dass die Sensoren in die erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen an den erforderlichen Stellen eingebaut sind, so dass die erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen mit den Sensoren an die Kunden ausgeliefert werden. Dabei sind die Sensoren so eingebaut, dass sie sich bei Langzeitbetrieb nicht lockern oder beschädigt werden, indes bei Bedarf leicht ausgewechselt werden können. Geeignete Befestigungsvorrichtungen sind üblich und bekannt.
Dabei erweist es sich als ein wesentlicher Vorteil, dass die Sensoren an den Stellen integriert werden können, an denen sie mit dem geringsten Aufwand angebracht werden können.
Die Sensoren der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen sind mit den erforderlichen elektrischen Anschlussstellen für Stromzuleitungen und Signalableitungen ausgerüstet, so dass sie sehr leicht mit Peripheriegeräten wie embedded PCs und anderen Datenverarbeitungsanlagen verbunden werden können.
Dadurch lassen sich die erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen hervorragend für die erfindungsgemäßen Verfahren verwenden. Sie lassen sich ohne großen zusätzlichen Aufwand herstellen. Sie sind robust und von langer Gebrauchsdauer. Wegen ihrer hervorragenden Überwachungsmöglichkeiten können sie problemlos besonders lange bei konstant hohen Förderleistungen betrieben werden. Schaltstellen an den Ventilen können bereits sehr früh detektiert werden, so dass geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, ohne dass es zu einem langen Ausfall der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen kommt.
Ausführungsbeispiele Versuchsanordnung
Für die Ausführungsbeispiele wurde eine Hochdrucktauchkolbenpumpe mit drei Zylindern und einem gemeinsamen Pumpenkopf (Triplexpumpe) der Serie HPP 550-4 mit einer maximalen Förderleistung von 660 l/min und einem maximalen Betriebsdruck von 1.500 bar der Firma Schäfer & Urbach, Ratingen, Deutschland, verwendet.
Der Druckverlauf in jedem Zylinder wurde jeweils mithilfe von einem an dem betreffenden Zylinder angebrachten Halbleiter-Dehnungsmessstreifen DMS in Volt gemessen.
Bei den Versuchen 1 bis 3 (vgl. Tabelle 1 ) zum Betriebsverhalten im Normalzustand wurde der Verlauf des Körperschalls mithilfe eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers als Körperschallsensor in Volt an jedem Zylinderkopf gemessen.
Bei den weiteren Versuchen 4 bis 14 (vgl. Tabellen 2 und 3) wurde der Verlauf des Körperschalls nur noch mithilfe eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers als Körperschallsensor in Volt am mittigen Zylinderkopf gemessen.
Der von der Saugleitung her gesehen erste Zylinder wird im Folgenden als Zylinder I bezeichnet. Der mittige Zylinder wird als Zylinder Il und der Zylinder, an dem die Druckleitung angeschlossen war, als Zylinder III bezeichnet.
Die Messwerte wurden mit einem speziell für die Untersuchungen konfigurierten LABVIEW- Programm mit einer Abtastrate von 50 kHz pro Messstelle jeweils für eine Sekunde pro Versuchslauf aufgezeichnet und in Textdateien abgespeichert. Die Körperschallsignale wurden zusätzlich mit 31 kHz Tiefpass gefiltert. Alle anderen Signale wurden ungefiltert aufgezeichnet.
Betriebsverhalten der Hochdrucktauchkolbenpumpe im Normalzustand
Es wurde zunächst das Betriebsverhalten der Hochdrucktauchkolbenpumpe im Normalzustand bestimmt. Die gewonnenen Daten dienten als Referenz für die weiteren Untersuchungen. Die Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Versuchsbedingungen.
Tabelle 1 : Das Betriebsverhalten im Normalzustand - Versuchsbedingungen Versuch Nr. Drucka)/bar Drehzahlb)/1/Minute
100 100
100 250
100 500
a) mittlerer Druck, gemessen druckseitig an einer Drossel; b) an der Prozessleitstelle des Versuchsstands eingestellte Drehzahl;
Es ergab sich folgende Signalcharakteristik.
Die DMS-Signale der drei Zylinder zeigten den erwarteten Druckverlauf im Arbeitsraum. Somit konnten die DMS-Signale zur Approximation des Arbeitsraumdrucks verwendet werden. Der qualitative Verlauf der Körperschallsignale zeigte an jeder Messstelle die typischen Peaks beim Öffnen und Schließen der Ventile. Darüber hinaus waren keine Auffälligkeiten vorhanden. Der Förderdruck zeigte keinen nennenswerten Einfluss auf den qualitativen Verlauf des Körperschalls. Alle drei Körperschallsensoren lieferten den gleichen Informationsgehalt. Jedoch zeigte der Körperschallverlauf am Zylinderkopf des Zylinders Il (mittiger Zylinderkopf) die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen.
Der Einfluss des Betriebszustands auf den Körperschall wurde ebenfalls untersucht. Dazu wurden die Effektivwerte aen der Körperschallsignale betrachtet. Dabei wurden die Peaks der Ventilöffnungs- und -Schließvorgänge ausgeblendet. Eine getrennte Auswertung des Körperschalls für Druck- und Saughub war bei der vorliegenden Hochdrucktauchkolbenpumpe nicht möglich, da sich zu jeder Zeit mindestens ein Kolben im Druckhub und ein Kolben im Saughub befanden. Die Messungen zeigten einen relativ schwachen Einfluss des Förderdrucks auf den Körperschall, der jedoch bei höheren Drehzahlen stärker und dann auch eindeutig steigend war. Bei niedriger Drehzahl war hingegen die Abhängigkeit des Körperschalls vom Druck nicht eindeutig. Allerdings war die Änderung des Körperschalls bei Druckvariation so gering, dass sie vernachlässigt werden konnte. Die Drehzahl hatte einen sehr starken und ebenfalls steigenden Einfluss auf den Körperschall, was auf die höhere Geschwindigkeit bei größerer Drehzahl und damit auf eine größere kinetische Energie aller schallverursachenden Effekte zurückzuführen war. Alle drei Körperschallmessstellen zeigten den gleichen Trend, jedoch lieferte die Messstelle am mittigen Zylinderkopf das Signal mit der größten Intensität, so dass im Folgenden nur noch diese verwendet wurde.
Experimentelle Untersuchung einer Druckventilschädigung
Es wurde ein manuell geschädigtes Druckventil in den Zylinder I eingebaut. Die Tabelle 2 gibt einen Überblick über die angewandten Versuchsbedingungen sowie über die durch Kovarianzanalyse auf der Basis der gemessenen Körperschallsignale und der gemessenen Druckverläufe berechneten Korrelationskoeffizienten ra;P.
Tabelle 2: Untersuchung einer Druckventilschädigung - Versuchsbedingungen
Versuch Nr. Drucka)/bar Drehzahlb)/1/min ra p c)
20 100 - 0,1
5 20 500 - 0,165
50 100 - 0,46
7 50 500 - 0,04
8 100 100 -0,66
9 100 500 -0,07 10 500 500 - 0,1 1
Vergleich:
Leerlauf 0 500 -0,04
a) mittlerer Druck, gemessen druckseitig an einer Drossel; b) an der Prozessleitstelle des Versuchsstands eingestellte Drehzahl; c) Korrelationskoeffizient
Durch den Einbau des schadhaften Druckventils resultierte qualitativ ein stark überhöhter Körperschallverlauf während des Saughubs, der charakteristisch für einen Schaden am Druckventil ist.
Die Korrelationskoeffizienten ra;P waren erwartungsgemäß negativ, was auf den Druckventilschaden hindeutete. Die Ergebnisse zeigten außerdem, dass bei niedrigen Drehzahlen schon bei einem relativ kleinen Druck von 20 bar der Betrag des Korrelationskoeffizienten ra,p um einen Faktor von mehr als 10 zunahm. Dies reichte aus, um den Korrelationskoeffizienten ra;P als ein sicheres Kriterium zur Erkennung des Ventilschadens zu akzeptieren. Bei den Versuchen mit höheren Drehzahlen war die Korrelation allerdings nicht mehr so gut, indes war auch bei hoher Drehzahl und gleichzeitig höheren Drücken ab 100 bar aufwärts die Zunahme des Betrags des Korrelationskoeffizienten ra;P ausreichend, um als Kriterium für einen Ventilschadens verwendet zu werden. Insgesamt ergab sich, dass je nach Drehzahl unterschiedliche Schwellenwerte für die Erkennung eines Ventilschadens zu verwenden waren, während der Einfluss des Drucks vernachlässigt werden konnte.
Experimentelle Untersuchung multipler Ventilschäden
Zur Untersuchung multipler Ventilschäden wurden in den Zylinder I ein geschädigtes Saugventil und ein geschädigtes Druckventil eingebaut (Versuche Nr. 1 1 bis 13, vgl. Tabelle 3). In einem weiteren Versuch wurden ein geschädigtes Druckventil in den Zylinder I und ein geschädigtes Saugventil in den Zylinder Il eingebaut (Versuch Nr. 14, vgl. Tabelle 3).
Die Tabelle 3 gibt einen Überblick über die angewandten Versuchsbedingungen.
Tabelle 3: Untersuchung multipler Ventilschäden - Versuchsbedingungen
Versuch Nr. Drucka)/bar Drehzahlb)/1/Minute
1 1 100 100 12 300 100
13 500 500
14 100 100
a) mittlerer Druck, gemessen druckseitig an einer Drossel; b) an der Prozessleitstelle des Versuchsstands eingestellte Drehzahl;
Die Korrelation von Körperschall und Druckverlauf war bei multiplen Ventilschäden nicht mehr gegeben. Dies lag daran, dass ein einzelner Saugventilschaden eine hohe Schwingungsbeschleunigung des Körperschalls im Druckhub und eine niedrigere Schwingungsbeschleunigung im Saughub bewirkte. Bei einem Druckventilschaden waren die Verhältnisse entsprechend umgekehrt. D. h., Schall und Arbeitsraumdruck korrelierten nicht. Bei einem multiplen Ventilschaden, wie z.B. bei einem gleichzeitigen Defekt am Saug- und Druckventil oder gleichzeitigen Ventilschäden in verschiedenen Zylindern, war die Schwingungsbeschleunigung des Körperschalls je nach Konstellation sowohl während eines Teils oder während des gesamten Saug- und Druckhubs hoch. Das vorstehend beschriebene Verfahren konnte daher hier nicht mehr angewandt werden.
Deshalb wurde für jeden Zylinder das Körperschallsignal einmal während des Saughubs und einmal während des Druckhubs durch ein fiktives Beschleunigungssignal ersetzt. Als Ersatzwert wurde der zuvor gemessene und abgespeicherte Effektivwert aen im Gutzustand der Pumpe gewählt. Anschließend wurde damit der Korrelationskoeffizient ra,p nach Gleichung (3) berechnet. Dadurch ist die Korrelation von Körperschall und Arbeitsraumdruck wieder gegeben.
Die erhaltenen Ergebnisse waren wie folgt zu interpretieren:
Ein Saugventilschaden lag dann vor, wenn der Saugventiltest für mindestens einen Zylinder eine positive Korrelation anzeigte, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschritt. Negative Korrelationen im Saugventiltest waren daher auf jeden Fall ein Indiz für ein unbeschädigtes Saugventil. Ein Druckventilschaden lag dann vor, wenn der Druckventiltest für mindestens einen Zylinder eine negative Korrelation anzeigte, die einen vorgegebenen Schwellenwert unterschritt. Positive Korrelationen im Druckventiltest waren daher auf jeden Fall ein Indiz für ein unbeschädigtes Druckventil.
Die Zuordnung eines Ventilschadens zu einem Zylinder erfolgte durch den Vergleich der Effektivwerte aen des Körperschalls im Schadenszustand während eines Hubs eines Kolbens mit den Effektivwerten aen an den Flanken des digitalisierten Druckverlaufs im Schadenszustand. Eine Zuordnung zu einem bestimmten Zylinder war gegeben wenn sich der Effektivwert aen genau mit den Flanken eines Kolbenhubs änderte.
Die Tabelle 4 gibt einen Überblick über die berechneten Korrelationskoeffizienten ra p für den Betrieb der Hochdrucktauchkolbenpumpe sowohl im Gutzustand (Versuche Nr. 1 bis 3; vgl. Tabelle 1 ) als auch im geschädigten Zustand (Versuche Nr. 11 bis 14; vgl. Tabelle 3).
Tabelle 4: Korrelationskoeffizienten ra p bei Betrieb im Gutzustand (Versuche Nr. 1 bis 3) und im geschädigten Zustand (Versuche Nr. 11 bis 14)
Versuch Saugventiltest Druckventiltest Nr. Zylinder Nr.: Zylinder Nr.:
I Il I Il
1 -o,r -0,14* -o,i r 0,14* 0,12* 0,35*
-0,59* -0,2* -0,38* 0,05* 0,2* -o,or
-0,76* -0,05* -0,22* -0,14* 0,16* 0,0*
1 1 o,6r 0,62* 0,56* -0,64*** -0,47** -0,49* 12 0,55* o,6r 0,53* -0,63*** -0,43** -0,47* 13 0,62*** 0,64** 0,58** -0,63*** -0,46** -0,47*
14 0,14* 0,55* 0,48* -0,63* -0,34* -0,34*
* Gutzustand;
** noch indifferent; *** Alarmzustand!

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Früherkennung eines Ventilschadens in einer oszillierenden Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern, jeweils umfassend einen angetriebenen Verdränger, ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil, ein Druckventil und einen Zylinderkopf, durch signalbasierte Auswertung gemessener Druck- und Körperschallsignale, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
(1 ) Druckmessung an jedem Zylinder mittels Dehnungsmessstreifen DMS,
(2) Digitalisierung des anhand der gemessenen DMS-Signale ermittelten Druckverlaufs durch Approximation durch eine Rechteckfunktion zum Auffinden der steigenden und fallenden Flanken des Druckverlaufs für jeden Zylinder,
(3) Bestimmung des Verlaufs des Körperschalls während des Saughubs und während des Druckhubs an jedem Zylinderkopf durch Messung der Schwingungsbeschleunigung und Berechnung der Effektivwerte aefτ,
(4) Berechnung des Korrelationskoeffizienten ra,p zwischen dem Anstieg der Schwingungsbeschleunigung des Körperschalls und dem digitalisierten Druckverlauf für jeden Kolben durch Kovarianzanalyse, wobei ein positiver Korrelationskoeffizient ra,p, der einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, einen Defekt am Saugventil und ein negativer Korrelationskoeffizient ra p, der den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, einen Defekt am Druckventil anzeigt, und
(5) automatische Auslösung eines Alarms bei Überschreitung oder Unterschreitung des vorgegebenen Schwellenwerts für den
Korrelationskoeffizienten ra,p.
2. Verfahren zur Früherkennung multipler Ventilschäden in einer oszillierenden Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern mit einem gemeinsamen Pumpenkopf, wobei die Zylinder jeweils einen angetriebenen Verdränger, ein
Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil und ein Druckventil umfassen, durch signalbasierte Auswertung gemessener Druck- und Körperschallsignale, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
(1 ) Druckmessung an jedem Zylinder mittels Dehnungsmessstreifen DMS,
(2) Digitalisierung des anhand der gemessenen DMS-Signale ermittelten Druckverlaufs durch Approximation durch eine Rechteckfunktion zum Auffinden der steigenden und fallenden Flanken des Druckverlaufs für jeden Zylinder,
(3) Bestimmung des Verlaufs des Körperschalls während des Saughubs und während des Druckhubs an einer Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, durch Messung der Schwingungsbeschleunigung und Berechnung der Effektivwerte aen im Schadenszustand der Pumpe,
(4) Berechnung zweier fiktiver Schwingungsbeschleunigungssignale für jeden Zylinder aus der gemessenen Schwingungsbeschleunigung im Schadenszustand der Pumpe derart, dass zu Zwecken des Saugventiltests einmal während des Saughubs und zu Zwecken des Druckventiltests einmal während des Druckhubs der gemessene Verlauf durch einen Ersatzwert ersetzt wird,
(5) Berechnung des Korrelationskoeffizienten ra,p zwischen den berechneten fiktiven Schwingungsbeschleunigungssignalen und dem digitalisierten
Druckverlauf im Schadenszustand der Pumpe durch Kovarianzanalyse, wobei ein positiver Korrelationskoeffizient ra,p beim Saugventiltest, der einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, einen Defekt an mindestens einem Saugventil und ein negativer Korrelationskoeffizient ra,p beim Druckventiltest, der einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, einen Defekt an mindestens einem Druckventil anzeigt,
(6) Zuordnung eines Ventilschadens zu einem Zylinder durch Vergleich der Effektivwerte aen des Körperschalls im Schadenszustand während eines Hubs eines Verdrängers mit den Effektivwerten aen an den Flanken des digitalisierten Druckverlaufs im Schadenszustand, wobei eine Zuordnung zu einem Zylinder gegeben ist, wenn sich der Effektivwert aeff genau mit den Flanken eines Verdrängerhubs ändert, sowie
(7) automatische Auslösung eines Alarms bei Überschreitung und/oder Unterschreitung vorgegebener Schwellenwerte für den
Korrelationskoeffizienten ra,p.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ersatzwert der Effektivwert aen im Gutzustand der oszillierenden Verdrängerpumpe oder eine positive Zahl größer als Null ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, der mittige Zylinderkopf ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Verdrängerpumpe drei oder fünf Zylinder aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Verdrängerpumpe eine Tauchkolbenpumpe, eine Membranpumpe mit mechanisch angelenkter Membran oder eine hydraulisch angelenkte Membranpumpe oder Kolben-Membranpumpe ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass die Ventile selbsttätig sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile belastete Kugelventile, Plattenventile, Pilzventile oder Kegelventile sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger durch einen Geradschubkurbelantrieb angetrieben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Dehnungsmessstreifen DMS Halbleiter-DMS verwendet werden.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Körperschalls piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer als Sensoren verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung und Auswertung der Körperschallsignale embedded PC-Systeme verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierung der DMS-Signale mithilfe einer Datenverarbeitungsanlage erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Korrelationskoeffizienten mithilfe einer Datenverarbeitungsanlage erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer und/oder akustischer Alarm oder eine Notabschaltung ausgelöst wird.
16. Oszillierende Verdrängerpumpen mit drei oder mehr Zylindern, jeweils umfassend einen angetriebenen Verdränger, ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein
Saugventil, ein Druckventil und einen Zylinderkopf, worin an jedem Zylinder an der Wand zum Arbeitsraum ein Dehnungsmessstreifen DMS zur nicht invasiven Druckmessung und ein Sensor zur nicht invasiven Messung des Körperschalls mit den erforderlichen elektrischen Anschlussstellen für Stromzuleitungen und Signalableitungen integriert sind.
17. Oszillierende Verdrängerpumpen mit drei oder mehr Zylindern mit einem gemeinsamen Pumpenkopf, wobei die Zylinder jeweils einen angetriebenen Verdränger, ein Zylindergehäuse, einen Arbeitsraum, ein Saugventil, ein Druckventil und einen Zylinderkopf umfassen, worin an jedem Zylinder an der Wand zum
Arbeitsraum ein Dehnungsmessstreifen DMS zur nicht invasiven Druckmessung und an einer Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, zusätzlich noch ein Sensor zur nicht invasiven Messung des Körperschalls mit den erforderlichen elektrischen Anschlussstellen für Stromzuleitungen und Signalableitungen integriert sind.
18. Oszillierende Verdrängerpumpen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle des Pumpenkopfs, an der der Verlauf des Körperschalls die größte Sensitivität bei gleichzeitig geringstem Rauschen aufweist, im Bereich des mittigen Zylinderkopfs liegt.
19. Verwendung der oszillierenden Verdrängerpumpen gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18 für Verfahren zur Früherkennung von Ventilschäden.
20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Verdrängerpumpen gemäß Anspruch 16 für das Verfahren zur Früherkennung eines Ventilschadens gemäß Anspruch 1 verwendet werden.
21. Verwendung nach Anspruch 80, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Verdrängerpumpen gemäß Anspruch 17 oder 18 für das Verfahren zur
Früherkennung multipler Ventilschäden gemäß Anspruch 2 verwendet werden.
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