EP3803122A1 - Verfahren zur bestimmung oder überwachung des zustandes einer exzenterschneckenpumpe - Google Patents

Verfahren zur bestimmung oder überwachung des zustandes einer exzenterschneckenpumpe

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EP3803122A1
EP3803122A1 EP19728623.0A EP19728623A EP3803122A1 EP 3803122 A1 EP3803122 A1 EP 3803122A1 EP 19728623 A EP19728623 A EP 19728623A EP 3803122 A1 EP3803122 A1 EP 3803122A1
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EP
European Patent Office
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pump
pressure
state
stator
pulsation
Prior art date
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Pending
Application number
EP19728623.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Schulz
Sascha Plazar
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Seepex GmbH
Original Assignee
Seepex GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Seepex GmbH filed Critical Seepex GmbH
Publication of EP3803122A1 publication Critical patent/EP3803122A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/107—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
    • F04C2/1071—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
    • F04C2/1073—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type where one member is stationary while the other member rotates and orbits
    • 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
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    • F04C14/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations
    • F04C14/28—Safety arrangements; Monitoring
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    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/16—Wear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/80—Diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/86—Detection

Definitions

  • the invention relates to a method for determining or monitoring the state (eg operating state, wear state or fault state) of an eccentric screw pump which has a stator made of an elastic material and a rotor rotating at a pump frequency in the stator.
  • the rotor z. B. via at least one coupling rod, which is also referred to as a propeller shaft, connected to a drive.
  • the pump has a z. B. suction side connected to the stator pump housing, z. B. suction on which is usually a housing opening, for. B. has an inlet opening, for the medium to be delivered.
  • the pump has a to the stator z. B. pressure side connected pump housing, z. B.
  • Such a progressing cavity pump is a pump from the group of rotary displacement pumps, which are used to promote a variety of media and in particular high-viscosity liquids in different industries.
  • the media to be delivered can be z. B. also contain solids.
  • the stator consists z. B. of an elastic, preferably elastomeric material and is usually surrounded by a one-piece or multi-part stator shell or stator housing.
  • the pump housing connected on the suction side to the stator is generally referred to as a suction housing, and the housing connected to the stator on the pressure side as a discharge nozzle. In principle, however, it is also possible to operate such a pump in the opposite direction of conveyance. The rotating and at the same time the eccentricity ensuring connection between the drive or the connecting shaft on the one hand and the rotor on the other hand via
  • the coupling rod arranged in the pump housing.
  • the coupling rod can be z. B. be connected via a rotor-side joint with the rotor and a drive-side joint with the drive shaft or connecting shaft.
  • embodiments with a flexible coupling rod without joints are also covered by the scope of protection.
  • Such progressing cavity pumps are z. B. from DE 10 2014 112 552 A1, DE 10 2010 037 440 A1 and WO 2009/024279 A1.
  • the eccentric screw pumps or their components are subject to wear during operation, so that maintenance work or maintenance measures are required at regular intervals.
  • Typical wear parts are in particular the elastic stator, but also the rotor rotating in the elastic stator. It is therefore known to monitor the wear of these components during operation by determining suitable parameters. So there is z. Example, the ability to register the flow or the flow rate and to compare these values with the respective speeds of the rotor. Similarly, the back pressure of the pump compared to the speed can be determined. With the methods known so far, an indirect determination of the state of wear thus takes place.
  • an eccentric screw pump in which the stator is associated with a sensor, are measured with the compressions and / or movements of the stator or the elastic material in the course of the rotation of the rotor.
  • the sensor may be z.
  • the determined time-dependent measurement signal is compared with stored reference signals. It is exploited that with increasing material removal in the region of the stator and the transmitted from the rotor during the rotation of the elastomeric stator pressure or compression decreases. If a pressure signal is detected and registered at a certain point in time and it is determined that the pressure signal is substantially lower than the previously stored reference signals, then this is a reliable indication of a corresponding wear of the stator. Due to the periodic operation of the rotor, the measurement signal registered as a function of time is a periodic signal.
  • the invention is based on the technical problem of providing a method with which the state of an eccentric screw pump, for. As a state of wear, operating state or fault condition can be reliably determined.
  • the invention teaches a method for determining or monitoring the state of an eccentric screw pump, which has a stator and a rotor rotating at a pump frequency in the stator,
  • the time course of an operating parameter of the pump is provided which periodically pulsates with the pump frequency or a multiple of the pump frequency and whose pulsation amplitude depends on the state of the eccentric screw, wherein (from the time profile of the operating parameter) the pulsation amplitude is determined and by comparing the Pulsation amplitude with one or more comparative values of the state of
  • Comparative values can be z. B. determined in advance and stored in a memory. However, it is also possible to determine the comparison values during operation and to store them in the memory. Thus, comparison values may be determined dynamically based on a plurality of values taken during (normal) operation, e.g. B. by means of statistical or neural processes in the sense of machine learning. Thus, also learned comparative values or a (parameterized) algorithm, which is used to determine a comparison value, come into consideration. Such
  • Comparative values or algorithms can, for. B. be learned during operation of the pump. They are z. B. stored in a volatile memory (register, RAM).
  • the operating pressure of the eccentric screw pump is made available as an operating parameter, and the pulsation amplitude of the pressure pulsation is determined.
  • the operating pressure of the eccentric screw pump does not vary with the rotation or rotational frequency of the pump, ie a perfect eccentric screw pump is free from pressure pulsations in relation to the operating pressure.
  • eccentric screw pumps are indeed comparatively low in pulsation, yet they have certain pressure pulsations that respond to the changing sealing lines during
  • the invention has recognized that the pulsation amplitude of the pressure pulsation depends very significantly on the wear of the relevant components of an eccentric screw pump, in particular stator and / or rotor. This is due to the fact that with increasing wear of the rotor and / or stator, the sealing line and the delivery chamber changes and this can be clearly seen in the temporal pressure curve and exploit for a determination of wear or wear monitoring.
  • the constant or decreasing or increasing pressure during operation of an eccentric screw pump on a time scale in the seconds or minutes range is therefore in practice superimposed on a periodically varying pressure pulsation and the pulsation amplitude of this pressure pulsation increases with increasing wear of the stator and / or the rotor.
  • determining the Pulsationsamplitude at a certain time or monitoring the Pulsationsamplitude over a period of time and a comparison with previously stored comparison values can be in a simple way the state of wear of the eccentric screw, z. B. of the stator and / or rotor determine / monitor.
  • the determination or monitoring of the state of a pump but also refer to a fault condition of the pump, z. B. on a dry run or overpressure of the pump.
  • the pulsation amplitude and consequently the amplitude of the pressure pulsation can be determined directly and thus on the state, for. B. state of wear can be closed. In a preferred embodiment, however, the pulsation amplitude is not determined directly from the temporal pressure curve, but the time profile of the periodically pulsating operating parameter, z. B. the temporal pressure curve, is first in one
  • the amplitude development of the pressure pulsation in the first harmonic of the pump frequency is even greater than in the pump frequency itself, so that preferably not from the frequency spectrum for the evaluation of the amplitude of the pump frequency, but a harmonic of the pump frequency, z. B. the first or second harmonic is used.
  • the figure description reference is made to the figure description.
  • the operating pressure of the pump or the pressure pulsations directly by a pressure measurement, for. B. to determine with a pressure gauge Preferably, the determination of the operating pressure on the pressure side of the stator, z. B. in or on a pressure side connected to the stator discharge port or in or on a pressure side connected to the stator line.
  • the operating pressure can be used as operating parameters z.
  • B. also provided the torque or the motor current of the pump drive available or used.
  • the pulsation amplitude of the torque pulsation or motor current pulsation is determined. So z.
  • the wear on the stator and / or rotor in a Exzenterschenkenpumpe typically not only to pressure pulsations, but also to pulsation-like changes in the torque of the pump, which is why the torque pulsation can be used as operating parameters.
  • the determination or monitoring of a state of wear of the pump for. B. rotor and / or stator in the foreground.
  • a specific operating state or fault state can be determined or monitored, for.
  • overpressure, insufficient or excessive clamping of a braced stator changes in the rotor / stator geometry, z.
  • the sealing line, or swelling of the stator in media incompatibility As a dry run, overpressure, insufficient or excessive clamping of a braced stator, changes in the rotor / stator geometry, z.
  • the invention also includes the analysis of the time course of other operating parameters of a pump which pulse periodically with the pump frequency and the pulsation amplitude of which depends on the state of the eccentric screw pump.
  • Such an operating parameter may be provided by measurement in the manner described, i. H. be measured.
  • a transformation of the time profile into a frequency spectrum takes place in the manner already described.
  • the method according to the invention also has the advantage that the occurrence of the frequencies which are of interest for wear as multiples of the pump frequency, which is known or can easily be determined, is a simple one
  • the invention also relates to a monitoring device for an eccentric screw pump or an eccentric screw pump with such a monitoring device for carrying out the described method.
  • a monitoring device thus comprises means, e.g. For example, an electronic evaluation unit, a computer or the like, which are suitable (and set to program technology) to perform the described method for determining and monitoring the state of the eccentric screw pump.
  • a monitoring device can, for. Example, have a sensor for measuring the operating parameter or be connected to such a sensor.
  • a sensor it may be z. B. to act a pressure sensor for detecting and continuously recording the operating pressure of the eccentric screw pump.
  • the monitoring device may have an optical and / or an acoustic display, with which the determined state of the eccentric screw pump is displayed.
  • the monitoring device with optical or acoustic display can in principle be integrated directly into the eccentric screw pump, so that the state of wear or an operating or fault state can be displayed directly on the eccentric screw pump.
  • a separate monitoring device is provided which only has to access the operating parameters of the eccentric screw pump.
  • the monitoring device can also be a computer or computer that is set up to carry out the described method and consequently to determine or monitor the state of the eccentric screw pump.
  • the inventive method can, for. B. as a computer program or computer program product for
  • Such a computer program z. B. on a standard computer, tablet or smartphone and install the necessary for the implementation of the method operating parameters or the time profile of the operating parameters can be wired or wirelessly transmitted to the device and with the help of the computer program can be from the transmitted operating parameters or operating data determine the state of wear.
  • the invention not only detects the determination of the state of wear of the eccentric screw pump, but alternatively also the determination and monitoring of an operating or fault condition, for. B. a dry run of the eccentric screw pump. Because the pulsation amplitude of the operating parameter, z. B. the pressure pulsations, changes even with a dry run of the pump over a normal operation, so that according to the invention also a dry run protection for an eccentric screw pump can be realized.
  • the determination or monitoring of other operating conditions eg. As interference conditions into consideration, in particular the monitoring of changes in geometry of the rotor and / or stator.
  • the monitoring device preferably has a memory in which the comparison values for the pulsation amplitudes required for the evaluation are stored, so that the determined pulsation amplitudes are compared with the stored pulsation amplitudes for determining a state of wear or operating state of the pump.
  • the aforementioned dynamic determination and storage of comparison values can also be used with the monitoring device
  • the monitoring device preferably has an electronic evaluation device which is set up to use the signals made available, for B. signals from a measuring device, with the required frequency resolution to capture and exploit.
  • the sensor must also be able to detect the operating parameter with regard to the time resolution with the pump frequency.
  • the eccentric screw pump in dependence on the determined state, for. B. wear condition, to operate and consequently adapt the operation of the eccentric screw pump to the information determined. This is z. B. the ability to realize the invention in an eccentric screw pump with automated delivery, the z. B. in DE 10 2014 112 552 A1 is described.
  • timing of the onset of wear determined by the system serves as the starting point for a wear history prediction based on other metrics.
  • a conventional eccentric screw pump which has a stator 1 made of an elastic material and a rotor 2 rotating in the stator 1, wherein the stator 1 is surrounded by a stator shell 3. Furthermore, the pump has a suction housing 4 and a connecting piece 5, which is also referred to as a discharge nozzle 5.
  • the pump also has a pump drive 6 which operates on the rotor 2 via a coupling rod 7.
  • the coupling rod 7 is connected via a drive-side coupling joint 8 to the drive 6 and a drive shaft and a rotor-side coupling joint 9 to the rotor 2.
  • a pressure sensor 11 is provided in the region of the pressure port 5, with which the operating pressure of the eccentric screw pump is measured.
  • the eccentric screw pump or the sensor 11 is connected to a monitoring device 10, with which the state of wear of the eccentric screw pump can be determined or monitored. This monitoring device 10 operates on the
  • FIGS. 3a to 3c show the amplitude development A of the pressure pulsations in a frequency range, the functions according to FIGS. 3a to 3c respectively resulting from the functions according to FIGS. 2a to 2c by Fourier transformation.
  • the pump was operated at a pump frequency of 100 revolutions per minute and consequently a pump frequency of 1.7 Flz.
  • FIGS. 3a to 3c show the pulsation amplitudes for the pump frequency at approximately 1.7 Hz and the first harmonic at approximately 3.3 Hz and the second harmonic at approximately 5 Hz and the third harmonic at approximately 6.7 Hz. It becomes clear that the pressure pulsations can be analyzed very significantly on the basis of the first harmonic of the frequency spectrum.
  • FIG. 4 The amplitude development of the pressure pulsations, which is shown in FIGS. 3a to 3c for only three values, is plotted in FIG. 4 as a function of the operating time, wherein in a test by a suitable medium a particularly high degree of wear over a certain operating time has been produced. It can be seen that the pulsation amplitude for both the pump frequency and for the first three harmonic increases with increasing operating time, so that in this way determination and monitoring of the wear of the eccentric screw pump is possible, in particular by comparing the determined values with previously recorded comparison values ,
  • the monitoring device which is merely indicated in FIG. 1 and which detects the sensor data and evaluates it with evaluation electronics capable of "high-frequency" the sensor signals is used for this purpose. H. in a kHz range.
  • the frequency spectra are then generated from the determined data and, by comparison with previously stored / determined data, the state of wear or also an interference state is determined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung des Zustandes einer Exzenterschneckenpumpe, welche einen Stator und einenmit einer Pumpenfrequenz in dem Stator rotierenden Rotor aufweist, wobei der zeitliche Verlauf eines Betriebsparameters der Pumpe zur Verfügung gestellt wird, welcher periodisch mit der Pumpenfrequenz oder einem Vielfachen der Pumpenfrequenz pulsiert und dessen Pulsationsamplitude vom Zustand der Exzenterschneckenpumpe abhängt, wobei die Pulsationsamplitude ermittelt wird und durch Vergleich der Pulsationsamplitude mit einem oder mehreren Vergleichswerten der Zustand der Exzenterschneckenpumpe bestimmt wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung des Zustandes einer
Exzenterschneckenpumpe
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung des Zustandes (z. B. Betriebszustandes, Verschleißzustandes oder Störzustandes) einer Exzenterschneckenpumpe, welche einen Stator aus einem elastischen Material und einen mit einer Pumpenfrequenz in dem Stator rotierenden Rotor aufweist. Bei einer solchen Exzenterschneckenpumpe ist der Rotor z. B. über zumindest eine Kuppelstange, welche auch als Gelenkwelle bezeichnet wird, mit einem Antrieb verbunden. Die Pumpe weist ein z. B. saugseitig an den Stator angeschlossenes Pumpengehäuse, z. B. Sauggehäuse auf, welches in der Regel eine Gehäuseöffnung, z. B. eine Einlassöffnung, für das zu fördernde Medium aufweist. Ferner weist die Pumpe ein an den Stator z. B. druckseitig angeschlossenes Pumpengehäuse, z. B. einen Druckstutzen und/oder eine druckseitige Leitung auf. Bei einer solchen Exzenterschneckenpumpe handelt es sich um eine Pumpe aus der Gruppe der rotierenden Verdränger pumpen, die zur Förderung unterschiedlichster Medien und insbesondere hochviskoser Flüssigkeiten in unterschiedlichen Industriebereichen verwendet werden. Die zu fördernden Medien können dabei z. B. auch Feststoffanteile enthalten.
Der Stator besteht z. B. aus einem elastischen, vorzugsweise elastomeren Material und ist in der Regel von einem einteiligen oder mehrteiligen Statormantel bzw. Statorgehäuse umgeben. Das saugseitig an den Stator angeschlossene Pumpengehäuse wird in der Regel als Sauggehäuse bezeichnet und das druckseitig an den Stator angeschlossene Gehäuse als Druckstutzen. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, eine solche Pumpe in entgegengesetzter Förderrichtung zu betreiben. Die rotierende und zugleich die Exzentrizität gewährleistende Verbindung zwischen dem Antrieb bzw. der Verbindungswelle einerseits und dem Rotor andererseits erfolgt über
die im Pumpengehäuse angeordnete Kuppelstange. Die Kuppelstange kann dabei z. B. über ein rotorseitiges Gelenk mit dem Rotor und über ein antriebsseitiges Gelenk mit der Antriebswelle oder Verbindungswelle verbunden sein. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungsformen mit flexibler Kuppelstange ohne Gelenke vom Schutzumfang erfasst.
Solche Exzenterschneckenpumpen sind z. B. aus der DE 10 2014 112 552 A1 , DE 10 2010 037 440 A1 und der WO 2009/024279 A1 bekannt. In der Praxis unterliegen die Exzenterschneckenpumpen bzw. deren Komponenten während des Betriebes einem Verschleiß, so dass in regelmäßigen Abständen Wartungsarbeiten oder Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich sind. Typische Verschleißteile sind insbesondere der elastische Stator, aber auch der in dem elastischen Stator rotierende Rotor. Es ist daher bekannt, den Verschleiß dieser Komponenten während des Betriebes durch Ermittlung geeigneter Parameter zu überwachen. So besteht z. B. die Möglichkeit, den Durchfluss bzw. die Fördermenge zu registrieren und diese Werte mit den jeweiligen Drehzahlen des Rotors zu vergleichen. In ähnlicher Weise kann auch der Gegendruck der Pumpe im Vergleich zur Drehzahl ermittelt werden. Bei den insoweit bekannten Methoden erfolgt somit eine indirekte Ermittlung des Verschleißzustandes.
Alternativ ist aus der DE 20 2005 008 989 U1 eine Exzenterschneckenpumpe bekannt, bei welcher dem Stator ein Messaufnehmer zugeordnet ist, mit dem Kompressionen und/oder Bewegungen des Stators bzw. des elastischen Materials im Zuge der Rotation des Rotors gemessen werden. Bei dem Messaufnehmer kann es sich z. B. um einen Druckaufnehmer oder einen Kraftaufnehmer handeln, der in den Stator integriert ist und Kompressionen des Stators registriert. Damit wird ein Messsignal in Abhängigkeit von der Zeit
registriert und zur Ermittlung des Verschleißzustandes wird das ermittelte zeitabhängige Messsignal mit gespeicherten Referenzsignalen verglichen. Dabei wird ausgenutzt, dass mit zunehmendem Materialabtrag im Bereich des Stators auch der von dem Rotor im Zuge der Rotation auf den elastomeren Stator übertragene Druck bzw. die Kompression sinkt. Wird zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Drucksignal ermittelt und registriert und dabei festgestellt, dass das Drucksignal wesentlich geringer als die zuvor gespeicherten Referenzsignale ist, so ist dieses ein zuverlässiges Indiz für einen entsprechenden Verschleiß des Stators. Aufgrund des periodischen Betriebes des Rotors handelt es sich bei dem in Abhängigkeit von der Zeit registrierten Messsignal um ein periodisches Signal. Während sich die Periode bzw. Frequenz dieses Signals bei vorgegebener Rotorfrequenz mit zunehmendem Verschleiß in der Regel nicht ändert, nimmt die Amplitude des periodischen Signals mit zunehmendem Verschleiß ab, da der auf den Drucksensor wirkende Druck oder der von dem Wegaufnehmer registrierte Weg entsprechend abnimmt. Das insoweit bekannte Prinzip basiert unmittelbar auf der periodischen Kompression des Stators im Zuge der Rotation des Rotors.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich auf einfache Weise der Zustand einer Exzenterschneckenpumpe, z. B. ein Verschleißzustand, Betriebszustand oder Störzustand, zuverlässig ermitteln lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung des Zustandes einer Exzenterschneckenpumpe, welche einen Stator und einen mit einer Pumpenfrequenz in dem Stator rotierenden Rotor aufweist,
wobei der zeitliche Verlauf eines Betriebsparameters der Pumpe zur Verfügung gestellt wird, welcher periodisch mit der Pumpenfrequenz oder einem Vielfachen der Pumpenfrequenz pulsiert und dessen Pulsationsamplitude vom Zustand der Exzenterschneckenpumpe abhängt, wobei (aus dem zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters) die Pulsationsamplitude ermittelt wird und durch Vergleich der Pulsationsamplitude mit einem oder mehreren Vergleichswerten der Zustand der
Exzenterschneckenpumpe bestimmt wird. Vergleichswerte können z. B. im Vorfeld bestimmt und in einem Speicher hinterlegt werden. Es ist aber auch möglich, die Vergleichswerte während des Betriebes zu ermitteln und in dem Speicher zu speichern. So können Vergleichswerte dynamisch auf der Grundlage einer Vielzahl während des (Normal-)Betriebes aufgenommener Werte ermittelt werden, z. B. mit Hilfe von statistischen oder neuronalen Verfahren im Sinne eines maschinellen Lernens. Somit kommen auch erlernte Vergleichswerte in Betracht bzw. ein (parametrisierter) Algorithmus, der zur Bestimmung eines Vergleichswertes herangezogen wird. Solche
Vergleichswerte bzw. Algorithmen können z. B. beim Betrieb der Pumpe erlernt werden. Sie werden z. B. in einem flüchtigen Speicher (Register, RAM) gespeichert.
Besonders bevorzugt wird als Betriebsparameter der Betriebsdruck der Exzenter-schneckenpumpe zur Verfügung gestellt und die Pulsationsamplitude der Druckpulsation ermittelt. In einem idealen System variiert der Betriebsdruck der Exzenterschneckenpumpe nicht mit der Rotation bzw. Rotationsfrequenz der Pumpe, d. h. eine ideale Exzenterschneckenpumpe ist bezogen auf den Betriebsdruck frei von Druckpulsationen. In der Praxis sind Exzenterschnecken- pumpen zwar tatsächlich vergleichsweise pulsationsarm, dennoch weisen sie gewisse Druckpulsationen auf, die auf die sich ändernden Dichtlinien während
einer Umdrehung und minimale Geometrieunterschiede von Rotor und Stator zurückzuführen sind. Die Erfindung hat erkannt, dass die Pulsationsamplitude der Druckpulsation sehr deutlich vom Verschleiß der maßgeblichen Komponenten einer Exzenterschneckenpumpe, insbesondere Stator und/oder Rotor, abhängt. Zurückzuführen ist dieses darauf, dass sich bei zunehmendem Verschleiß von Rotor und/oder Stator die Dichtlinie und auch die Förderkammer ändert und dieses lässt sich im zeitlichen Druckverlauf deutlich erkennen und für eine Verschleißbestimmung oder Verschleißüberwachung ausnutzen. Dem während des Betriebs einer Exzenterschneckenpumpe auf einer Zeitskala im Sekundenbereich oder Minutenbereich konstanten oder abfallenden oder ansteigenden Druck ist in der Praxis folglich eine periodisch variierende Druckpulsation überlagert und die Pulsationsamplitude dieser Druckpulsation nimmt mit zunehmendem Verschleiß des Stators und/oder des Rotors zu. Durch Bestimmung der Pulsationsamplitude zu einem bestimmten Zeitpunkt oder Überwachung der Pulsationsamplitude über einen bestimmten Zeitraum und einen Vergleich mit zuvor hinterlegten Vergleichswerten lässt sich auf einfache Weise der Verschleißzustand der Exzenterschneckenpumpe, z. B. des Stators und/oder Rotors ermitteln/überwachen. Alternativ kann sich die Ermittlung bzw. Überwachung des Zustandes einer Pumpe aber auch auf einen Störzustand der Pumpe beziehen, z. B. auf einen Trockenlauf oder einen Überdruck der Pumpe.
Aus dem zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters, z. B. des Betriebsdruckes der Pumpe, kann unmittelbar die Pulsationsamplitude und folglich die Amplitude der Druckpulsation bestimmt und damit auf den Zustand, z. B. Verschleißzustand geschlossen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch die Pulsationsamplitude nicht unmittelbar aus dem zeitlichen Druckverlauf ermittelt, sondern der zeitliche Verlauf des periodisch pulsierenden Betriebsparameters, z. B. der zeitliche Druckverlauf, wird zunächst in einen
Frequenzverlauf transformiert, z. B. durch eine Fourier-Transformation. Aus diesem Frequenzverlauf lässt sich als Maß für den Verschleiß der Pumpe die Amplitude in der Pumpenfrequenz (d. h. ersten Flarmonischen) oder einer Oberschwingung in diesem Frequenzverlauf, z. B. der ersten Oberschwingung (zweiten Flarmonischen) oder der zweiten Oberschwingung (dritten Flarmonischen) des Frequenzverlaufs ermitteln. Überraschend haben Versuche gezeigt, dass die Amplitudenentwicklung der Druckpulsation in der ersten Oberschwingung der Pumpenfrequenz sogar größer als in der Pumpenfrequenz selbst ist, so dass für die Auswertung bevorzugt aus dem Frequenzspektrum nicht die Amplitudenentwicklung der Pumpenfrequenz, sondern einer Oberschwingung der Pumpenfrequenz, z. B. der ersten oder zweiten Oberschwingung herangezogen wird. Im Einzelnen wird dazu auf die Figurenbeschreibung verwiesen. Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, den Betriebsdruck der Pumpe bzw. die Druckpulsationen unmittelbar durch eine Druckmessung, z. B. mit einem Druckmessgerät zu ermitteln. Bevorzugt erfolgt dabei die Ermittlung des Betriebsdruckes auf der Druckseite des Stators, z. B. in oder an einem druckseitig an den Stator angeschlossenen Druckstutzen oder in oder an einer druckseitig an den Stator angeschlossenen Leitung.
Alternativ zum Betriebsdruck kann als Betriebsparameter z. B. auch das Drehmoment oder der Motorstrom des Pumpenantriebes zur Verfügung gestellt bzw. verwendet werden. In diesem Fall wird die Pulsationsamplitude der Drehmomentpulsation oder Motorstrompulsation ermittelt. So führt z. B. der Verschleiß an Stator und/oder Rotor bei einer Exzenterschenkenpumpe typischerweise nicht nur zu Druckpulsationen, sondern ebenfalls zu pulsationsartigen Änderungen des Drehmomentes der Pumpe, weshalb die Drehmomentpulsation als Betriebsparameter genutzt werden kann. Weiterhin
führen die pulsationsartigen Änderungen des Drehmomentes zu einer pulsierenden Leistungsaufnahme bzw. Stromaufnahme, so dass auch die Leistungsaufnahme bzw. Stromaufnahme als Betriebsparameter verwendet werden kann. Ebenso führen verschleißbedingte Änderungen an der Rotor- Stator-Geometrie der Pumpe zu periodischen bzw. pulsierenden Änderungen des Körperschalls, so dass auch der Körperschall als Betriebsparameter verwendet werden kann.
Zum einen steht erfindungsgemäß die Ermittlung bzw. Überwachung eines Verschleißzustandes der Pumpe, z. B. von Rotor und/oder Stator im Vordergrund. Zum anderen kann aber auch ein bestimmter Betriebszustand oder Störzustand ermittelt oder überwacht werden, z. B. ein Trockenlauf, ein Überdruck, eine unzureichende oder übermäßige Klemmung eines verspannbaren Stators, Änderungen der Rotor/Stator-Geometrie, z. B. der Dichtlinie, oder auch ein Aufquellen des Stators bei Medienunverträglichkeit.
Grundsätzlich umfasst die Erfindung im Übrigen auch die Analyse des zeitlichen Verlaufs anderer Betriebsparameter einer Pumpe, die periodisch mit der Pumpenfrequenz pulsieren und deren Pulsationsamplitude vom Zustand der Exzenterschneckenpumpe abhängt. Ein solcher Betriebsparameter kann in der beschriebenen Weise durch eine Messung zur Verfügung gestellt, d. h. gemessen werden. Alternativ ist es ebenso möglich, den jeweiligen Betriebsparameter nicht direkt zu messen, sondern aus direkt gemessenen Werten zu berechnen. Bevorzugt erfolgt in der bereits beschriebenen Weise eine Transformation des zeitlichen Verlaufs in ein Frequenzspektrum.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat auch den Vorteil, dass das Auftreten der für den Verschleiß interessanten Frequenzen als Vielfache der Pumpenfrequenz, die bekannt ist oder sich leicht ermitteln lässt, eine einfache
und wirkungsvolle Filterung der Daten von Einflüssen aus dem Prozess bzw. der Anlage ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Überwachungsvorrichtung für eine Exzenterschneckenpumpe bzw. eine Exzenterschneckenpumpe mit einer solchen Überwachungsvorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Eine solche Überwachungsvorrichtung umfasst folglich Mittel, z. B. eine elektronische Auswerteeinheit, einen Rechner oder dergleichen, die geeignet (und dazu programmtechnisch eingerichtet) sind, das beschriebene Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Zustandes der Exzenterschneckenpumpe durchzuführen. Eine solche Überwachungs- Vorrichtung kann z. B. einen Sensor zur Messung des Betriebsparameters aufweisen oder mit einem solchen Sensor verbunden sein. Bei einem Sensor kann es sich z. B. um einen Drucksensor zur Ermittlung und kontinuierlichen Aufzeichnung des Betriebsdruckes der Exzenterschneckenpumpe handeln. Außerdem kann die Überwachungsvorrichtung eine optische und/oder eine akustische Anzeige aufweisen, mit der der ermittelte Zustand der Exzenterschneckenpumpe angezeigt wird. Die Überwachungsvorrichtung mit optischer oder akustischer Anzeige kann grundsätzlich unmittelbar in die Exzenterschneckenpumpe integriert sein, so dass der Verschleißzustand oder ein Betriebs- oder Störzustand an der Exzenterschneckenpumpe unmittelbar angezeigt werden kann. Bevorzugt wird jedoch eine separate Überwachungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die lediglich auf die Betriebsparameter der Exzenterschneckenpumpe zugreifen muss. Insofern kann es sich bei der Überwachungsvorrichtung auch um einen Rechner bzw. Computer handeln, der für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens und folglich für die Bestimmung oder Überwachung des Zustandes der Exzenterschneckenpumpe eingerichtet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. als Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur
Verfügung gestellt werden, welches Befehle umfasst, mit denen auf einer solchen Überwachungsvorrichtung, z. B. einem Computer/Rechner oder dergleichen, das beschriebene Verfahren ausgeführt wird. So lässt sich ein solches Computerprogramm z. B. auf einem handelsüblichen Rechner, Tablet oder auch Smartphone installieren und die für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen Betriebsparameter bzw. der zeitliche Verlauf der Betriebs- parameter lassen sich drahtgebunden oder drahtlos an das Gerät übermitteln und mit Hilfe des Computerprogramms lässt sich aus den übermittelten Betriebsparametern bzw. Betriebsdaten der Verschleißzustand ermitteln.
Im Übrigen erfasst die Erfindung jedoch nicht nur die Ermittlung des Verschleißzustandes der Exzenterschneckenpumpe, sondern alternativ auch die Bestimmung und Überwachung eines Betriebs- oder Störzustandes, z. B. eines Trockenlaufs der Exzenterschneckenpumpe. Denn die Pulsations- amplitude des Betriebsparameters, z. B. der Druckpulsationen, ändert sich auch bei einem Trockenlauf der Pumpe gegenüber einem Normalbetrieb, so dass erfindungsgemäß auch ein Trockenlaufschutz für eine Exzenterschnecken- pumpe realisiert werden kann. Im Übrigen kommt auch die Ermittlung bzw. die Überwachung anderer Betriebszustände, z. B. Störzustände in Betracht, insbe- sondere die Überwachung von Geometrieänderungen von Rotor und/oder Stator.
Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung weist bevorzugt einen Speicher auf, in dem die für die Auswertung erforderlichen Vergleichswerte für die Pulsationsamplituden gespeichert werden, so dass die ermittelten Pulsationsamplituden mit den gespeicherten Pulsationsamplituden zur Fest- stellung eines Verschleißzustandes oder auch Betriebszustandes der Pumpe verglichen werden. Mit der Überwachungseinrichtung kann im Übrigen auch die erwähnte dynamische Bestimmung und Speicherung von Vergleichswerten
erfolgen, so dass entsprechende Algorithmen für eine solche dynamische Bestimmung, z. B. im Sinne eines maschinellen Lernens ebenfalls in der Überwachungseinrichtung enthalten sein können. Die Überwachungs- Vorrichtung weist im Übrigen bevorzugt eine elektronische Auswerteeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die zur Verfügung gestellten Signale, z. B. Signale einer Messeinrichtung, mit der erforderlichen Frequenzauflösung zu erfassen und zu verwerten. Auch der Sensor muss hinsichtlich der Zeitauflösung in der Lage sein, den Betriebsparameter mit der Pumpenfrequenz zu erfassen. Es besteht im Übrigen die Möglichkeit, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Informationen zum Zustand (Verschleißzustand oder Störzustand) in unterschiedlicher Weise zu nutzen. Zum einen kann eine bloße Information im Sinne einer Visualisierung stattfinden, so dass bei Bedarf Wartungsmaßnahmen durchgeführt werden können. Es besteht aber optional auch die Möglichkeit, die Exzenterschneckenpumpe in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand, z. B. Verschleißzustand, zu betreiben und folglich den Betrieb der Exzenterschneckenpumpe an die ermittelten Informationen anzupassen. Damit besteht z. B. die Möglichkeit, die Erfindung bei einer Exzenter- schneckenpumpe mit automatisierter Zustellung zu realisieren, die z. B. in der DE 10 2014 112 552 A1 beschrieben wird.
Es ist darüber hinaus möglich, dass der Zeitpunkt des durch das System bestimmten einsetzenden Verschleißes als Startpunkt für eine auf anderen Messgrößen basierende Verschleißverlaufsvorhersage dient.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbeispielen darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig.1 eine Exzenterschneckenpumpe mit einer Überwachungs- Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes, z. B. Verschleißzustandes,
Fig. 2a bis 2c den zeitlichen Verlauf von Druckpulsationen der Exzenter- schneckenpumpe,
Fig. 3a bis 3c die Druckpulsation nach Fig. 2a bis 2c einem
Frequenzspektrum,
Fig. 4 die zeitliche Entwicklung der Pulsationsamplituden.
In Fig. 1 ist eine übliche Exzenterschneckenpumpe dargestellt, die einen Stator 1 aus einem elastischen Material und einen in dem Stator 1 rotierenden Rotor 2 aufweist, wobei der Stator 1 von einem Statormantel 3 umgeben ist. Ferner weist die Pumpe ein Sauggehäuse 4 sowie einen Anschlussstutzen 5 auf, welcher auch als Druckstutzen 5 bezeichnet wird. Die Pumpe weist außerdem einen Pumpenantrieb 6 auf, der über eine Kuppelstange 7 auf den Rotor 2 arbeitet. Die Kuppelstange 7 ist über ein antriebsseitiges Kupplungsgelenk 8 an den Antrieb 6 bzw. eine Antriebswelle und über ein rotorseitiges Kupplungsgelenk 9 an den Rotor 2 angeschlossen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Druckstutzens 5 ein Drucksensor 11 vorgesehen, mit dem der Betriebsdruck der Exzenterschneckenpumpe gemessen wird. Die Exzenterschneckenpumpe bzw. der Sensor 11 ist mit einer Überwachungsvorrichtung 10 verbunden, mit der sich der Verschleißzustand der Exzenterschneckenpumpe bestimmen oder überwachen lässt. Diese Überwachungsvorrichtung 10 arbeitet auf der
Grundlage der Analyse von Druckpulsationen. Denn auch wenn eine Exzenterschneckenpumpe verhältnismäßig pulsationsarm ist, so treten in der Praxis Druckpulsationen auf, d. h. der zeitliche Verlauf des Betriebsdruckes der Exzenterschneckenpumpe pulsiert periodisch mit der Pumpenfrequenz. Dem während des Betriebes in der Regel auf einer Zeitskala im Sekunden- oder Minutenbereich konstanten Betriebsdruck ist folglich bei einer Analyse in einem höher frequenten Bereich eine periodische Pulsation überlagert, wobei die Pulsationsamplitude vom Verschleißzustand des Stators und/oder des Rotors abhängt, nämlich mit dem Verschleißzustand zunimmt. Dieses ergibt sich aus einer vergleichenden Betrachtung der Figuren 2a bis 2c. Diese Figuren zeigen den zeitlichen Verlauf der Druckpulsation Dr zu einem ersten Zeitpunkt T1 in Fig. 2a mit geringem Verschleiß und zu einem zweiten Zeitpunkt T2 mit mittlerem Verschleiß in Fig. 2b sowie einem dritten Zeitpunkt T3 mit hohem Verschleiß in Fig. 2c. Es ist erkennbar, dass die Pulsationsamplitude Dr mit zunehmender Betriebsdauer der Pumpe und folglich zunehmendem Verschleiß signifikant zunimmt.
Noch deutlicher wird dieser Effekt in dem in den Figuren 3a bis 3c dargestellten Frequenzspektren. Die Figuren 3a bis 3c zeigen die Amplitudenentwicklung A der Druckpulsationen in einem Frequenzbereich, wobei sich die Funktionen gemäß Figuren 3a bis 3c jeweils durch Fourier-Transformation aus den Funktionen nach Fig. 2a bis 2c ergeben. In dem Ausführungsbeispiel wurde die Pumpe mit einer Pumpenfrequenz von 100 Umdrehungen pro Minute und folglich einer Pumpenfrequenz von 1 ,7 Flz betrieben. In den Figuren 3a bis 3c sind die Pulsationsamplituden für die Pumpenfrequenz bei etwa 1 ,7 Hz und die erste Oberschwingung bei etwa 3,3 Hz sowie die zweite Oberschwingung bei etwa 5 Hz und die dritte Oberschwingung bei etwa 6,7 Hz erkennbar. Dabei wird deutlich, dass sich die Druckpulsationen besonders signifikant anhand der ersten Oberschwingung des Frequenzspektrums analysieren lassen.
Die Amplitudenentwicklung der Druckpulsationen, die in den Figuren 3a bis 3c für lediglich drei Werte dargestellt ist, ist in Fig. 4 in Abhängigkeit von der Betriebszeit aufgetragen, wobei in einem Versuch durch ein geeignetes Medium ein besonders starker Verschleiß über eine bestimmte Betriebszeit erzeugt wurde. Es ist erkennbar, dass die Pulsationsamplitude sowohl für die Pumpenfrequenz als auch für die ersten drei Oberschwingung mit steigender Betriebszeit ansteigt, so dass auf diese Weise eine Bestimmung und Überwachung des Verschleißes der Exzenterschneckenpumpe möglich wird, insbesondere indem die ermittelten Werte mit zuvor aufgenommenen Vergleichswerten verglichen werden.
Dazu dient die in Fig. 1 lediglich angedeutete Überwachungseinrichtung, welche die Sensordaten erfasst und mit einer Auswerteelektronik auswertet, die in der Lage ist, die Sensorsignale "hochfrequent" d. h. in einem kHz-Bereich auslesen zu können. Aus den ermittelten Daten werden dann die Frequenzspektren erzeugt und durch Vergleich mit zuvor gespeicherten/ermittelten Daten der Verschleißzustand oder auch ein Störzustand bestimmt.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung des Zustandes einer Exzenterschneckenpumpe, welche einen Stator und einen mit einer Pumpenfrequenz in dem Stator rotierenden Rotor aufweist, wobei der zeitliche Verlauf eines Betriebsparameters der Pumpe zur Verfügung gestellt wird, welcher periodisch mit der Pumpenfrequenz oder einem Vielfachen der Pumpenfrequenz pulsiert und dessen Pulsationsamplitude vom Zustand der Exzenterschneckenpumpe abhängt, wobei die Pulsationsamplitude ermittelt wird und durch Vergleich der Pulsationsamplitude mit einem oder mehreren Vergleichswerten der Zustand der Exzenterschneckenpumpe bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Zustand ein Verschleißzustand der Exzenterschneckenpumpe oder ein Betriebs- oder Störzustand, z. B. ein
Trockenlauf oder Überdruck, der Exzenterschneckenpumpe bestimmt oder überwacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Betriebsparameter durch eine Messung zur Verfügung gestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Betriebsparameter zur Verfügung gestellt wird, dessen Pulsationsamplitude von dem
Verschleißzustand des Stators und/oder des Rotors abhängt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Betriebsparameter zur Verfügung gestellt wird, dessen Pulsationsamplitude mit dem
Verschleißzustand der Pumpe zunimmt, vorzugsweise mit dem Verschleißzustand des Stators und/oder des Rotors zunimmt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Betriebsparameter der Betriebsdruck der Pumpe zur Verfügung gestellt und die Pulsations- amplitude der Druckpulsation ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Betriebsdruck bzw. die Druckpulsation unmittelbar durch eine Druckmessung, z. B. mit einem Druckmessgerät, ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Betriebsdruck auf der Druckseite des Stators, z. B. in oder an einem druckseitig an den Stator angeschlossenen Druckstutzen oder in oder an einer druckseitig an den Stator angeschlossenen Leitung gemessen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Betriebsparameter das Drehmoment oder der Motorstrom des Pumpenantriebes zur Verfügung gestellt und die Pulsationsamplitude der Drehmomentpulsation oder Motorstrompulsation ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der zeitliche Verlauf des periodisch pulsierenden Betriebsparameters, z. B. der zeitliche Druckverlauf, in einen Frequenzverlauf transformiert wird, z. B. durch Fourier- Transformation, wobei aus dem Frequenzverlauf die Amplitude in der Pumpenfrequenz oder einer Oberschwingung des Frequenzverlaufs, z. B. der ersten Oberschwingung, als Pulsationsamplitude ermittelt wird.
11. Überwachungsvorrichtung für eine Exzenterschneckenpumpe, umfassend Mittel, die geeignet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
12. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 11 , umfassend zumindest einen Sensor zur Messung des Betriebsparameters und/oder umfassend eine optische und/oder akustische Anzeige, mit der der ermittelte Zustand der Exzenterschneckenpumpe angezeigt wird.
13. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, umfassend einen Speicher, in dem Vergleichswerte gespeichert werden, mit denen die ermittelten Pulsationsamplituden verglichen werden.
14. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt.
15. Exzenterschneckenpumpe mit einer Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13.
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