EP4636250A1 - Verfahren zur zustandsüberwachung einer zahnradpumpe eines geräts zur extrakorporalen blutbehandlung und gerät zur extrakorporalen blutbehandlung - Google Patents

Verfahren zur zustandsüberwachung einer zahnradpumpe eines geräts zur extrakorporalen blutbehandlung und gerät zur extrakorporalen blutbehandlung

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Publication number
EP4636250A1
EP4636250A1 EP25170933.3A EP25170933A EP4636250A1 EP 4636250 A1 EP4636250 A1 EP 4636250A1 EP 25170933 A EP25170933 A EP 25170933A EP 4636250 A1 EP4636250 A1 EP 4636250A1
Authority
EP
European Patent Office
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gear pump
characteristic map
fluid
generated
normalization
Prior art date
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Pending
Application number
EP25170933.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Leise
Alexander Kammenhuber
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B Braun Avitum AG
Original Assignee
B Braun Avitum AG
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Filing date
Publication date
Application filed by B Braun Avitum AG filed Critical B Braun Avitum AG
Publication of EP4636250A1 publication Critical patent/EP4636250A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • F04C14/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations
    • F04C14/28—Safety arrangements; Monitoring
    • 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
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/10—Fluid working
    • F04C2210/1016—Blood
    • 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
    • F04C2270/80—Diagnostics

Definitions

  • the invention is based on the object of providing a method for monitoring the condition of a gear pump of a device for extracorporeal blood treatment and a device for extracorporeal blood treatment which enable simple and reliable condition monitoring.
  • the method is used to monitor the condition of a gear pump of a specific type of extracorporeal blood treatment device, for example in the form of a dialysis machine.
  • the gear pump or transmission pump can be, for example, an external gear pump, an internal gear pump, a gerotor pump (also known as a gerotor pump or Eaton pump), or a screw pump.
  • a gerotor pump also known as a gerotor pump or Eaton pump
  • screw pump a screw pump
  • a normalization characteristic map is determined, wherein the normalization characteristic map for a new reference gear pump of the same type mathematically or formulaically relates a volume flow of a fluid generated by the reference gear pump, a (differential) pressure of the fluid at the reference gear pump, a (shaft) torque generated by the reference gear pump or its electric motor, and a speed of the reference gear pump to one another.
  • the torque generated by the reference gear pump is in particular the torque acting on the driven gear of the reference gear pump.
  • the speed of the reference gear pump is in particular the speed of the driven gear of the reference gear pump.
  • a new gear pump of the device can form the reference gear pump.
  • the reference gear pump is a new gear pump whose type corresponds to the type of gear pump of the device.
  • the normalization map can be determined in advance, for example by the manufacturer of the gear pump, and stored in a memory assigned to the control system of the device.
  • an operating characteristic map is determined, whereby the operating characteristic map for the gear pump used during a specific operating period includes the volume flow of the fluid generated by the gear pump, the pressure of the fluid at the gear pump, the torque generated by the gear pump and the speed of the gear pump is related to each other mathematically or by formula.
  • a (wear) condition of the device's gear pump is determined depending on the normalization map and the operating map.
  • the condition can be assessed, for example, in the categories "good,” “still usable,” and “no longer usable.”
  • Quantification using a wear index with a predefined value range is also possible, for example, a value range between 0 and 10, where the value 0 represents a defective or completely worn gear pump and the value 10 represents a new or unused gear pump.
  • the state of the gear pump of the device is determined depending on a difference between the normalization map and the operating map.
  • the normalization characteristic map describes the torque generated by the reference gear pump as a function of the volume flow of the fluid generated by the reference gear pump, the pressure of the fluid at the reference gear pump, and the speed of the reference gear pump.
  • the operating characteristic map describes the torque generated by the gear pump of the device as a function of the volume flow of the fluid generated by the gear pump of the device, the pressure of the fluid at the gear pump of the device, and the speed of the gear pump of the device.
  • a forecast for the remaining service life of the device's gear pump is determined based on the normalization map and the operating map.
  • the remaining service life is also referred to as the Remaining Useful Lifetime (RUL).
  • the remaining service life of the device's gear pump is calculated using a gear pump-specific regression model.
  • the remaining service life forms the regression criterion.
  • the difference between the normalization map and the operating map forms the predictor.
  • the device according to the invention for extracorporeal blood treatment with a gear pump is designed to carry out a method described above.
  • the invention is based on the finding that a difference between the normalization characteristic map and the operating characteristic map is characteristic of an (aging) condition or aging of the gear pump, whereby a prognosis for the remaining service life (RUL) of the gear pump can be derived from this difference.
  • RUL remaining service life
  • the normalization characteristic map can, for example, be determined for a given type of gear pump using type-specific measurement technology and/or read from a manufacturer database of the gear pump.
  • the degradation of gear pumps is evaluated to predict their remaining service life.
  • the evaluation of the current wear state is based on a change in the characteristic map.
  • Q is the pumped volume flow
  • ⁇ p is the pressure increase of the gear pump
  • Ms is the (shaft) torque
  • n is the speed
  • Ps is the shaft power.
  • the normalization characteristic map M N f ( Q, ⁇ p, n ) is sampled or determined, in particular once, for a new reference gear pump of the specific type at a defined fluid reference temperature.
  • the normalization characteristic map M N and the operating characteristic map M B each describe the (shaft) torque M s generated by the gear pump as a function of the volume flow Q of the fluid generated by the gear pump, the pressure ⁇ p of the fluid at the gear pump and the speed n of the gear pump.
  • the fluid temperature is first adjusted to the fluid reference temperature of the dialysis machine.
  • the operating characteristic map M B determined in this way is approximated by means of a suitable function, for example a piecewise linear function or a non-linear function.
  • Age-related wear leads to a change in the operating characteristic map.
  • the wear or condition of the gear pump can be quantified using a detection function, such as a difference, a squared deviation, etc.
  • the detection function compares the operating characteristic map with the normalized characteristic map. The result of the comparison is, for example, a wear index that reflects the condition of the gear pump.
  • Future wear behavior can be predicted using a machine-specific regression model.
  • the wear index of an initially unused gear pump can be determined over time at a constant fluid reference temperature.
  • the determined time curve can be approximated by an nth-order function using conventional mathematical methods.
  • a current wear index is determined. Based on the current wear index and mathematically inverting the function, the point in time at which a specified threshold value is exceeded is calculated. The time until this point in time is reached is, by definition, the remaining service life of the gear pump.
  • the threshold value is selected such that it accurately reflects a typical wear limit. Using statistical methods, an uncertainty range for the calculated remaining service life can be calculated.
  • Fig. 1 shows a highly schematic illustration of a device 100 in the form of a dialysis machine with a conventional gear pump 1.
  • a condition monitoring of the gear pump 1 is described in detail below.
  • a normalization characteristic map M N f ( Q, ⁇ p, n ) is sampled or determined for a new reference gear pump 1 of a type corresponding to the type of gear pump 1 of the device 100 at a defined fluid reference temperature.
  • An exemplary normalization characteristic map M N is shown in Fig. 3 shown.
  • the normalization characteristic map M N describes a (shaft) torque M s generated by a reference gear pump 1a as a function of a volume flow Q of a fluid 2 generated by the reference gear pump 1, a pressure ⁇ p of the fluid 2 at the reference gear pump 1 and a speed n of the reference gear pump 1.
  • the fluid temperature is first set to the fluid reference temperature on the dialysis machine 100.
  • the operating characteristic map M B describes the (shaft) torque M s generated by the gear pump 1 of the dialysis machine 100 as a function of the volume flow Q of the fluid 2 generated by the gear pump 1 of the dialysis machine 100, the pressure ⁇ p of the fluid 2 at the gear pump 1 of the dialysis machine 100, and the speed n of the gear pump 1 of the dialysis machine 100.
  • An exemplary operating characteristic map M B with sampling points M B 1 to M Bk is shown in Fig. 3 shown.
  • lower limits of an operating characteristic map M B that has changed due to ageing phenomena are determined, for example experimentally.
  • the operating characteristic map M B determined in this way is approximated by means of a suitable function, for example a linear function or non-linear function.
  • Age-related wear leads to a change in the operating characteristic map M B .
  • the wear or the condition of the gear pump 1 is quantified using a detection function, which, for example, forms a difference, a quadratic deviation, etc., between the normalization characteristic map M N and the operating characteristic map M B .
  • a wear index VK is calculated, which represents the (wear) condition of the gear pump 1.
  • Future wear behavior is predicted using a machine-specific regression model.
  • Fig. 2 shows a curve of the wear index V K of an initially unused gear pump 1 over time t at a constant fluid reference temperature. The determined curve over time is approximated by an nth-order function using conventional mathematical methods.
  • a current wear index V K is first determined. Then, based on the current wear index V K and mathematical inversion of the function, it is calculated at what point in time t A the wear index V K falls below a threshold value V S. By definition, the time period until this point in time t A is reached is the remaining service life of the gear pump.
  • the threshold value V S is chosen such that it accurately reflects a typical wear limit. Using statistical methods, an uncertainty range for the calculated remaining service life can be calculated.

Landscapes

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Abstract

Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Zahnradpumpe (1) eines Geräts (100) zur extrakorporalen Blutbehandlung mit den Schritten:
- Ermitteln eines Normalisierungs-Kennfelds, wobei das Normalisierungs-Kennfeld für eine neuwertige Referenz-Zahnradpumpe (1) einen mittels der Referenz-Zahnradpumpe (1) erzeugten Volumenstrom (Q) eines Fluids (2), einen an der Referenz-Zahnradpumpe anstehenden Druck (Δp) des Fluids (2), ein mittels der Referenz-Zahnradpumpe (1) erzeugtes Drehmoment (M) und eine Drehzahl (n) der Referenz-Zahnradpumpe (1) zueinander in Beziehung setzt,
- während des Betriebs der Zahnradpumpe (1), Ermitteln eines Betriebs-Kennfelds, wobei das Betriebs-Kennfeld für eine während einer bestimmten Betriebsdauer verwendete Zahnradpumpe (1) einen mittels der Zahnradpumpe (1) erzeugten Volumenstrom (Q) des Fluids (2), einen an der Zahnradpumpe (1) anstehenden Druck (Δp) des Fluids (2), ein mittels der Zahnradpumpe (1) erzeugtes Drehmoment (M) und eine Drehzahl (n) der Zahnradpumpe (1) zueinander in Beziehung setzt, und
- Ermitteln des Zustands der Zahnradpumpe (1) in Abhängigkeit von dem Normalisierungs-Kennfeld und dem Betriebs-Kennfeld.

Description

  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Zahnradpumpe eines Geräts zur extrakorporalen Blutbehandlung und ein Gerät zur extrakorporalen Blutbehandlung zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und zuverlässige Zustandsüberwachung ermöglichen.
  • Das Verfahren dient zur Zustandsüberwachung einer Zahnradpumpe eines bestimmten Typs eines Geräts zur extrakorporalen Blutbehandlung, beispielsweise in Form einer Dialyse-Maschine.
  • Die Zahnradpumpe bzw. Getriebepumpe kann beispielsweise eine Außenzahnradpumpe, eine Innenzahnradpumpe, eine Zahnringpumpe (auch Gerotorpumpe oder Eatonpumpe) oder eine Schraubenpumpe sein. Im Übrigen sei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Normalisierungs-Kennfeld ermittelt, wobei das Normalisierungs-Kennfeld für eine neuwertige Referenz-Zahnradpumpe vom selben Typ einen mittels der Referenz-Zahnradpumpe erzeugten Volumenstrom eines Fluids, einen an der Referenz-Zahnradpumpe anstehenden (Differenz-) Druck des Fluids, ein mittels der Referenz-Zahnradpumpe bzw. deren Elektromotor erzeugtes (Wellen-) Drehmoment und eine Drehzahl der Referenz-Zahnradpumpe zueinander mathematisch bzw. formelmäßig in Beziehung setzt. Das mittels der Referenz-Zahnradpumpe erzeugte Drehmoment ist hierbei insbesondere das Drehmoment, das auf das angetriebene Zahnrad der Referenz-Zahnradpumpe wirkt. Die Drehzahl der Referenz-Zahnradpumpe ist hierbei insbesondere die Drehzahl des angetriebenen Zahnrads der Referenz-Zahnradpumpe. Eine neue Zahnradpumpe des Geräts kann die Referenz-Zahnradpumpe bilden. Alternativ ist die Referenz-Zahnradpumpe eine neue Zahnradpumpe, deren Typ dem Typ der Zahnradpumpe des Geräts entspricht. Das Normalisierungs-Kennfeld kann beispielsweise vorab, beispielsweise beim Hersteller der Zahnradpumpe, ermittelt werden und in einem der Steuerung des Gerätes zugeordneten Speicher abgelegt werden.
  • Während des Betriebs der Zahnradpumpe des Geräts wird ein Betriebs-Kennfelds ermittelt, wobei das Betriebs-Kennfeld für die während einer bestimmten Betriebsdauer verwendete Zahnradpumpe den mittels der Zahnradpumpe erzeugten Volumenstrom des Fluids, den an der Zahnradpumpe anstehenden Druck des Fluids, das mittels der Zahnradpumpe erzeugte Drehmoment und die Drehzahl der Zahnradpumpe zueinander mathematisch bzw. formelmäßig in Beziehung setzt.
  • Schließlich wird ein (Verschleiß-) Zustand der Zahnradpumpe des Geräts in Abhängigkeit von dem Normalisierungs-Kennfeld und dem Betriebs-Kennfeld ermittelt.
  • Der Zustand kann beispielsweise in die Kategorien "gut", "noch verwendbar" und "nicht mehr verwendbar" abgeschätzt werden. Auch eine Quantifizierung in eine Verschleiß-Kennzahl mit einem vorgegebenen Wertebereich ist möglich, beispielsweise in einen Wertebereich zwischen 0 und 10, wobei der Wert 0 ein defekte bzw. vollständig verschlissene Zahnradpumpe beschreibt und der Wert 10 eine neue bzw. unbenutzte Zahnradpumpe beschreibt.
  • In einer Ausführungsform wird der Zustand der Zahnradpumpe des Geräts in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Normalisierungs-Kennfeld und dem Betriebs-Kennfeld ermittelt.
  • In einer Ausführungsform beschreibt das Normalisierungs-Kennfeld das mittels der Referenz-Zahnradpumpe erzeugte Drehmoment in Abhängigkeit von dem mittels der Referenz-Zahnradpumpe erzeugten Volumenstrom des Fluids, dem an der Referenz-Zahnradpumpe anstehenden Druck des Fluids und der Drehzahl der Referenz-Zahnradpumpe.
  • In einer Ausführungsform beschreibt das Betriebs-Kennfeld das mittels der Zahnradpumpe des Geräts erzeugte Drehmoment in Abhängigkeit von dem mittels der Zahnradpumpe des Geräts erzeugten Volumenstrom des Fluids, dem an der Zahnradpumpe des Geräts anstehenden Druck des Fluids und der Drehzahl der Zahnradpumpe des Geräts.
  • In einer Ausführungsform wird zusätzlich zum Zustand der Zahnradpumpe des Geräts eine Prognose für eine verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe des Geräts in Abhängigkeit von dem Normalisierungs-Kennfeld und dem Betriebs-Kennfeld ermittelt. Die verbleibende Lebensdauer wird auch als Remaining Useful Lifetime (RUL) bezeichnet.
  • In einer Ausführungsform wird die verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe des Geräts mittels eines Zahnradpumpen-spezifischen Regressionsmodells berechnet. Die verbleibende Lebensdauer bildet hierbei beispielsweise das Kriterium der Regression. Die Differenz zwischen dem Normalisierungs-Kennfeld und dem Betriebs-Kennfeld bildet beispielsweise den Prädiktor.
  • Das erfindungsgemäße Gerät zur extrakorporalen Blutbehandlung mit einer Zahnradpumpe ist dazu ausgebildet, ein oben beschriebenes Verfahren durchzuführen.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Differenz zwischen dem Normalisierungs-Kennfeld und dem Betriebs-Kennfeld charakteristisch für einen (Alterungs-) Zustand bzw. eine Alterung der Zahnradpumpe ist, wobei aus der Differenz auch eine Prognose für die verbleibende Lebensdauer (RUL) der Zahnradpumpe ableitbar ist. Grundsätzlich gilt, dass eine zunehmende Differenz einen verschlechterten Zustand der Zahnradpumpe abbildet und auf eine geringere verbleibende Lebensdauer schließen lässt.
  • Das Normalisierungs-Kennfeld kann beispielsweise für einen vorgegebenen Typ von Zahnradpumpe typspezifisch messtechnisch ermittelt werden und/oder aus einer Herstellerdatenbank der Zahnradpumpe ausgelesen werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Degradation von Zahnradpumpen zur Vorhersage der Restlebensdauer evaluiert. Die Evaluation des aktuellen Verschleißzustands basiert auf einer Kennfeldveränderung.
  • Generell ist der Wirkungsgrad η basierend auf dem ersten Hauptsatz für Zahnradpumpen bzw. Verdrängerpumpen wie folgt definiert: η = Q Δ p P s = Q Δ p 2 πM s n
  • Hierbei ist Q der geförderte Volumenstrom, Δp die Druckerhöhung der Zahnradpumpe, Ms das (Wellen-) Drehmoment und n die Drehzahl. Ps beschreibt die Wellenleistung.
  • Dieser Zusammenhang gilt unter der Annahme eines inkompressiblen Förder-Fluids und eines vernachlässigbaren Spiels der mechanischen Teile, sowie ohne Wärmestrom. Diese Annahmen können näherungsweise als zutreffend für das Förder-Fluid in einer Dialysemaschine angesehen werden. Die Werte für Q, Δp, Ms, n werden mittels zugehöriger Sensoren gemessen und gegebenenfalls gespeichert.
  • Zunächst wird, insbesondere einmalig, das Normalisierungs-Kennfeld MN = f(Q, Δp, n) für eine neuwertige Referenz-Zahnradpumpe des bestimmten Typs bei definierter Fluid-Referenztemperatur abgetastet bzw. ermittelt.
  • Weiter werden, beispielsweise experimentell, Untergrenzen eines aufgrund von Alterserscheinungen veränderten Betriebs-Kennfelds MB ermittelt.
  • Das Normalisierungs-Kennfeld MN und das Betriebs-Kennfeld MB beschreiben jeweils das mittels der Zahnradpumpe erzeugte (Wellen-) Drehmoment Ms in Abhängigkeit von dem mittels der Zahnradpumpe erzeugten Volumenstrom Q des Fluids, dem an der Zahnradpumpe anstehenden Druck Δp des Fluids und der Drehzahl n der Zahnradpumpe.
  • Während des Betriebs der Dialyse-Maschine wird zum Ermitteln des Betriebs-Kennfelds MB zunächst die Fluid-Temperatur auf die Fluid-Referenztemperatur an der Dialyse-Maschine eingestellt. Anschließend wird das Betriebs-Kennfeld an charakteristischen vorher definierten Punkten MB = f(Q, Δp, n) abgetastet.
  • Das derart ermittelte Betriebs-Kennfeld MB wird mittels einer geeigneten Funktion, beispielsweise einer stückweise linearen Funktion oder nichtlinearen Funktion, approximiert.
  • Ein altersbezogener Verschleiß führt zu einer Veränderung des Betriebs-Kennfelds. Der Verschleiß bzw. der Zustand der Zahnradpumpe kann mittels einer Detektions-Funktion quantifiziert werden, beispielsweise einer Differenz, einer quadratischen Abweichung, usw. Die Detektions-Funktion vergleicht hierbei das Betriebs-Kennfeld mit dem Normalisierung-Kennfeld. Ergebnis des Vergleichens ist beispielsweise eine Verschleißkennzahl, die den Zustand der Zahnradpumpe abbildet.
  • Ein zukünftiges Verhalten des Verschleißes kann mittels eines maschinen-spezifischen Regressionsmodells vorhergesagt werden.
  • Hierzu kann beispielsweise ein Verlauf der Verschleißkennzahl einer zunächst unbenutzten Zahnradpumpe über der Zeit bei einer konstanten Fluid-Referenztemperatur ermittelt werden. Der ermittelte Verlauf über der Zeit kann durch eine Funktion n-ter Ordnung mittels herkömmlicher mathematischer Methoden approximiert werden.
  • Um eine verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe in Verbindung mit der Funktion abschätzen zu können, wird eine momentane Verschleiß-Kennzahl ermittelt. Dann wird basierend auf der momentanen Verschleiß-Kennzahl und mathematischem Umkehren der Funktion berechnet, zu welchem Zeitpunkt ein vorgegebener Schwellenwert unterschritten wird. Eine Zeitdauer bis dieser Zeitpunkt erreicht wird ist definitionsgemäß die verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe. Der Schwellenwert wird derart gewählt, dass er eine typische Verschleißgrenze gut abbildet. Mittels statistischer Verfahren kann ein Unsicherheitsbereich für die berechnete verbleibende Lebensdauer berechnet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    höchst schematisch ein Gerät zur extrakorporalen Blutbehandlung in Form einer Dialyse-Maschine mit einer Zahnradpumpe,
    Fig. 2
    einen Verlauf einer Verschleiß-Kennzahl einer unbenutzten Zahnradpumpe von Fig. 1 über der Zeit und
    Fig. 3
    hoch schematisch ein exemplarisches Normalisierungs-Kennfeld und ein exemplarisches Betriebs-Kennfeld einer Zahnradpumpe.
  • Fig. 1 zeigt höchst schematisch ein Gerät 100 in Form einer Dialyse-Maschine mit einer herkömmlichen Zahnradpumpe 1.
  • Eine Zustandsüberwachung der Zahnradpumpe 1 wird nachfolgend detailliert beschrieben.
  • Zunächst wird, insbesondere einmalig, ein Normalisierungs-Kennfeld MN = f(Q, Δp, n) für eine neuwertige Referenz-Zahnradpumpe 1 eines Typs, der dem Typ der Zahnradpumpe 1 des Geräts 100 entspricht, bei definierter Fluid-Referenztemperatur abgetastet bzw. ermittelt. Ein exemplarisches Normalisierungs-Kennfeld MN ist in Fig. 3 dargestellt.
  • Das Normalisierungs-Kennfeld MN beschreibt ein mittels einer Referenz-Zahnradpumpe 1a erzeugtes (Wellen-) Drehmoment Ms in Abhängigkeit von einem mittels der Referenz-Zahnradpumpe 1 erzeugten Volumenstrom Q eines Fluids 2, einen an der Referenz-Zahnradpumpe 1 anstehenden Druck Δp des Fluids 2 und eine Drehzahl n der Referenz-Zahnradpumpe 1.
  • Während des Betriebs der Dialyse-Maschine 100 wird zum Ermitteln eines Betriebs-Kennfelds MB zunächst die Fluid-Temperatur auf die Fluid-Referenztemperatur an der Dialyse-Maschine 100 eingestellt. Anschließend wird das Betriebs-Kennfeld MB an charakteristischen vorher definierten Punkten MB = f(Q, Δp, n) abgetastet. Das Betriebs-Kennfeld MB beschreibt das mittels der Zahnradpumpe 1 der Dialyse-Maschine 100 erzeugte (Wellen-) Drehmoment Ms in Abhängigkeit von dem mittels der Zahnradpumpe 1 der Dialyse-Maschine 100 erzeugten Volumenstrom Q des Fluids 2, dem an der Zahnradpumpe 1 der Dialyse-Maschine 100 anstehenden Druck Δp des Fluids 2 und der Drehzahl n der Zahnradpumpe 1 der Dialyse-Maschine 100. Ein exemplarisches Betriebs-Kennfeld MB mit Abtastpunkten M B1 bis MBk ist in Fig. 3 dargestellt. Weiter werden, beispielsweise experimentell, Untergrenzen eines aufgrund von Alterserscheinungen veränderten Betriebs-Kennfelds MB ermittelt.
  • Das derart ermittelte Betriebs-Kennfeld MB wird mittels einer geeigneten Funktion, beispielsweise einer linearen Funktion oder nichtlinearen Funktion, approximiert.
  • Ein altersbezogener Verschleiß führt zu einer Veränderung des Betriebs-Kennfelds MB. Der Verschleiß bzw. der Zustand der Zahnradpumpe 1 wird mittels einer Detektions-Funktion quantifiziert, die beispielsweise eine Differenz, eine quadratische Abweichung, etc. zwischen dem Normalisierungs-Kennfeld MN und dem Betriebs-Kennfeld MB bildet. Mittels der Detektions-Funktion wird eine Verschleißkennzahl VK berechnet, die den (Verschleiß-)Zustand der Zahnradpumpe 1 abbildet.
  • Ein zukünftiges Verhalten des Verschleißes wird mittels eines maschinen-spezifischen Regressionsmodells vorhergesagt.
  • Fig. 2 zeigt einen Verlauf der Verschleißkennzahl VK einer zunächst unbenutzten Zahnradpumpe 1 über der Zeit t bei einer konstanten Fluid-Referenztemperatur. Der ermittelte Verlauf über der Zeit wird durch eine Funktion n-ter Ordnung mittels herkömmlicher mathematischer Methoden approximiert.
  • Um eine verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe 1 in Verbindung mit der Funktion abschätzen zu können, wird zunächst eine momentane Verschleiß-Kennzahl VK ermittelt. Dann wird basierend auf der momentanen Verschleiß-Kennzahl Vk und mathematischem Umkehren der Funktion berechnet, zu welchem Zeitpunkt tA die Verschleiß-Kennzahl VK einen Schwellenwert VS unterschreitet. Eine Zeitdauer bis dieser Zeitpunkt tA, erreicht wird ist definitionsgemäß die verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe. Der Schwellenwert VS wird derart gewählt, dass er eine typische Verschleißgrenze gut abbildet. Mittels statistischer Verfahren kann ein Unsicherheitsbereich für die berechnete verbleibende Lebensdauer berechnet werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Zahnradpumpe (1) eines bestimmten Typs eines Geräts (100) zur extrakorporalen Blutbehandlung, mit den Schritten:
    - Ermitteln eines Normalisierungs-Kennfelds (MN ), wobei das Normalisierungs-Kennfeld (MN ) für eine neuwertige Referenz-Zahnradpumpe (1) des bestimmten Typs einen mittels der Referenz-Zahnradpumpe (1) erzeugten Volumenstrom (Q) eines Fluids (2), einen an der Referenz-Zahnradpumpe anstehenden Druck (Δp) des Fluids (2), ein mittels der Referenz-Zahnradpumpe (1) erzeugtes Drehmoment (M) und eine Drehzahl (n) der Referenz-Zahnradpumpe (1) zueinander in Beziehung setzt,
    - während des Betriebs der Zahnradpumpe (1), Ermitteln eines Betriebs-Kennfelds (MB ), wobei das Betriebs-Kennfeld (MB ) für die während einer bestimmten Betriebsdauer verwendete Zahnradpumpe (1) den mittels der Zahnradpumpe (1) erzeugten Volumenstrom (Q) des Fluids (2), den an der Zahnradpumpe (1) anstehenden Druck (Δp) des Fluids (2), das mittels der Zahnradpumpe (1) erzeugte Drehmoment (M) und die Drehzahl (n) der Zahnradpumpe (1) zueinander in Beziehung setzt, und
    - Ermitteln des Zustands der Zahnradpumpe (1) in Abhängigkeit von dem Normalisierungs-Kennfeld (MN ) und dem Betriebs-Kennfeld (MB ).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Zustand der Zahnradpumpe (1) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Normalisierungs-Kennfeld (MN ) und dem Betriebs-Kennfeld (MB ) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Normalisierungs-Kennfeld (MN ) das mittels der Referenz-Zahnradpumpe (1) erzeugte Drehmoment (M) in Abhängigkeit von dem mittels der Referenz-Zahnradpumpe erzeugten Volumenstrom (Q) des Fluids (2), dem an der Referenz-Zahnradpumpe (1) anstehenden Druck (Δp) des Fluids (2) und der Drehzahl (n) der Referenz-Zahnradpumpe (1) beschreibt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Betriebs-Kennfeld (MB ) das mittels der Zahnradpumpe (1) erzeugte Drehmoment (M) in Abhängigkeit von dem mittels der Zahnradpumpe erzeugten Volumenstrom (Q) des Fluids (2), dem an der Zahnradpumpe (1) anstehenden Druck (Δp) des Fluids (2) und der Drehzahl (n) der Zahnradpumpe (1) beschreibt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - zusätzlich zum Zustand der Zahnradpumpe (1) eine Prognose für eine verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe (1) in Abhängigkeit von dem Normalisierungs-Kennfeld (MN ) und dem Betriebs-Kennfeld (MB ) ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die verbleibende Lebensdauer der Zahnradpumpe (1) mittels eines Zahnradpumpen-spezifischen Regressionsmodells berechnet wird.
  7. Gerät (100) zur extrakorporalen Blutbehandlung mit einer Zahnradpumpe (1), das dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
EP25170933.3A 2024-04-18 2025-04-16 Verfahren zur zustandsüberwachung einer zahnradpumpe eines geräts zur extrakorporalen blutbehandlung und gerät zur extrakorporalen blutbehandlung Pending EP4636250A1 (de)

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