NO874201L - System for maaling av stroemningshastighet og for overvaakning av fortrengningspumper. - Google Patents

Abstract

System for måling av strømningshastigheten av fluida som strømmer ut av fortrengningspumper, og sanntidsoverv&kning av disse pumper. Systemet omfatter trykk- og ncrhetssensorer og en mikrodatamaskin. Trykksensorene sender trykket i pumpens utløpskammere til mikrodatamaskinen i form av signaler. Ncrhets-sensorene frembringer en referanse i pumpens operasjonssyklus. Datamaskinen overvåker sensorenes status og behandler dataene som mottas fra sensorene for å overvåke pumpen. Sen sender resultatet via en serie-kommunikasjonsbuss. I tilfelle en feilfunksjon blir en alarm sendt.

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et automatisk system for måling av strømningshastighet og for overvåkning av fortrengningspumper.

Eksisterende systemer er i alminnelighet tilstrekkelige for måling av fluida med minst en konstant karakteristikk. Det er ingen strømnings-måleanordning som uten omkalibrering kan gi nøyaktige målinger for alle typer fluida som kan forventes behandlet av fortrengningspumper. Karakteristikkene for slike fluida kan være høyst variable: de kan ha høy eller lav viskositet, være elektrisk ledende eller isolerende, være med eller uten faste partikler i suspensjon, være flytende eller gassformige etc. Strømningen kan også være laminær eller turbulent. Det er mange strømningsmålere som egner seg for måling av spesifikke fluida, men ingen som vil gi nøyaktige målinger for alle typer fluidum. Den foreliggende oppfinnelse anordner måling av strømningshastigheten for ethvert fluidum fra en fortrengningspumpe. Strømningsformen, enten laminær eller turbulent, påvirker ikke målingsnøyaktigheten.

Oppfinnelsen gjør bruk av fortrengningspumpens volumetriske pumpekarakteristikk. En vanlig brukt teknikk er å telle pumpe-slagene, og så multiplisere antallet med det teoretiske volum for hvert slag. Denne målemetoden er nøyaktig så lenge pumpen og pumpingsforholdene er gode.

Hvis imidlertid ett av disse forholdene forverrer seg blir slike systemer meget unøyaktige. Tenk for eksempel på et ekstremt tilfelle der forholdene er så dårlige at det fluidum som skal pumpes ikke når frem til pumpen. Dette vil ikke hindre pumpen i å gå som om forholdene var normale. Strømningsmålere vil indikere en strømningshastighet som er proporsjonal med pumpens hastighet, skjønt i virkeligheten intet fluidum blir pumpet. En slik indikasjon er fullstendig falsk. Dette er et ekstremt tilfelle, men man møter ofte forhold under hvilke væsker ikke helt fyller kammeret under sugefasen. Under disse forhold er metoden med telling av pumpeslag feilaktig, da det virkelige volum er mindre enn det teoretiske volum som skulle vært pumpet.

Den foreliggende oppfinnelse bruker teknikken med telling av pumpeslag, og korrigerer den ved å måle det virkelige volum av fluidum som strømmer ut av pumpen. På denne måten oppnår man korrekt måling av strømningshastigheten, uavhengig av pumpingsforholdene eller pumpens tilstand.

For å kunne måle volumet av fluidum som virkelig strømmer ut av pumpen, må tilstanden av pumpens hydrauliske del være kjent. Konstant overvåkning av pumpingsforholdene er anordnet.

I tilfelle skade på en ventil og en resulterende lekkasje,

eller om en ventilfjær skulle brekke, ville systemet måle lekkasjen og korrigere strømningshastigheten tilsvarende. Så vidt vites finnes ingen eksisterende systemer som overvåker ved deteksjon og korrigering av lekkasjer i ventiler eller sylinder-hylser. Lekkasjer og fjærbrudd blir vanligvis oppdaget av operatøren på grunn av støy fra pumpen eller vibrasjon i fluidum-linjen. Systemet ifølge denne oppfinnelsen vil utføre en permanent og automatisk overvåkning av slike funksjonsfeil.

Overvåkning blir utført av mikro-datamaskinen. Hvis visse parametere når eller overskrider forut bestemte verdier, vil mikro-datamaskinene utføre de nødvendige beregninger til å overvåke korrekt drift av pumpen. Den sjekker sensorene, og sjekker så over flere sykler om en feil foreligger. Hvis feilen blir bekreftet, sender datamaskinen dataene og tar de nødvendige målinger for korrigering av strømningshastigheten.

Dataene som blir sendt er i alminnelighet verdiene for strømningshastigheten og for det virkelige væskevolum som strømmer ut av pumpen, og dessuten en verdi som er gitt av en indikator for "pumpingsforhold og pumpens tilstand". Sistnevnte er faktisk pumpens volumetriske effektivitet, d.v.s. forholdet mellom det volum som virkelig blir pumpet og det volum som teoretisk ville bli pumpet under perfekte forhold med en perfekt pumpe. Denne indikatoren er meget nyttig for å observere pumpens reaksjon på forskjellige pumpingsforhold. Operatøren av pumpen vet i sann tid hvor vidt pumpingsforholdene er blitt forbedret eller forverret på grunn av hans aksjoner eller andre aksjoner. Opplysninger om ventillekkasje, fjærbrudd og sensorfeil blir også sendt.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et eksempel på oppkobling av et system ifølge

oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom kompresjonskammeret i en

fortrengningspumpe (stempelpumpe).

Fig. 3 er en arbeidstegning for konstruksjon av mikro- datamaskinen . Fig. 4 viser prøver på kurver som er frembrakt av en virkende pumpe ved hjelp av trykk- og forskyvningssensorer og ved beregninger. Fig. 5 viser trykk-kurvene for to kammere i en tripleks-pumpe,

ogøyeblikkene da de bevegelige deler er i hvilestilling .

(De samme tallreferanser henviser til samme del på de forskjellige figurer).

På figur 1 viser blokk 1 en sentral display- og sjekkeenhet som frembringer sanntidsovervåkning av et sett fortrengningspumper , og som registrerer pumpeoperasjonene. Blokk 2 er det lokale overvåkningselement som er tenkt for bruk av pumpens operatør. Blokkene 3 er mikrodatamaskin-enheter, endel av oppfinnelsen. Avhengig av deres konfigurasjon kan disse mikro-datamaskinene bli forbundet med en eller flere fortrengnings-punkter. På figur 1 er det forbundet suksessivt fra venstre til høyre med to tripleks-pumper 4, en quintupleks-pumpe 5 og så igjen to tripleks-pumper 4. Bruken av en flerpunktsserie-databuss mellom delene 1 og 2 forenkler tilkobling eller fjerning av spesielle utstyrsenheter. En lignende buss er brukt mellom delene 2 og 3, og tillater tilkobling av andre sensorer i serie med mikrodatamaskinen 3 samt bruken av en enkel linje til den lokale overvåkningsenhet 2.

Antallet trykksensorer 6 forbundet med mikrodatamaskinen 3 er lik summen av antallet utløpskammere 7 i pumpene 4 eller 5 som mikrodatamaskinen 3 er tilkoblet. Antallet nærhets-sensorer 8

er lik antallet tilkoblede pumper 4 eller 5. Med andre ord må det være en trykksensor 6 for hvert utløpskammer 7 og en nærhetssensor 8 pr. pumpe 4 eller 5.

En foretrukken modus for realisering av oppfinnelsen består av en sensor 8 som detekterer passasjen av en ring (B) som er festet til stempelet og som gir positiv referanse. Formen for referanse vil på en kjent måte bli valgt til å passe sensoren.

I det foretrukne eksempel ville en stålring bli detektert av en induktiv nærhetssensor 8.

Et annet eksempel består av en optisk sensor forbundet med en optisk referanse på stempelet, eller en Hall-effektsensor forbundet med en referanse bestående av en magnet.

Pumpens fasereferanse kan også bli oppnådd, for eksempel ved å detektere passering av en referansetann på et stempel-drivhjul eller lignende del som er mekanisk forbundet med stempelet, eller ved en sensor som beskrevet ovenfor.

Figur 2 viser et tverrsnitt gjennom et utløpskammer 7 av et eksempel på en fortrengningspumpe 4 eller 5. Den prinsipielle karakteristikk av fortrengningspumpene 4 eller 5 er at utløps-kammeret 7 blir fylt ved vekselvirkningen av glidestykket 9, og så tømt ut i utløpskretsen 10. Fluidum-strømmens retning blir etablert ved ventilen 11, kjent som sugeventilen, og ventilen 12, kjent som utløpsventilen. Bevegelse av ventilene 11 og 12 blir bestemt av sugeventil-fjæren og utløpsventil-fjæren 14, og ved de krefter som utøves av det bevegelige fluidum og trykket i utløpskretsen 10, utløpskammeret og sugekretsen 15.

Den foretrukne utførelse er med trykksensoren 6 montert på innsiden av klaffen P til kammeret 7. På denne måten vil ikke sensoren svekke pumpehuset. Hvis imidlertid denne løsningen er teknisk for komplisert, kan sensoren bli montert på en annen flat del av kammeret.

Normal drift av pumpen er som følger: når glidestykket 9 beveger seg inn i utløpskammeret 7 fra sin stasjonære stilling (et punkt som tilsvarer maksimum uttrekning), blir fluidet i kammeret først støtt ut i sugekretsen 15 til sugeventilen 11 lukkes, og stenger av fluidum-strømmen.

Dette fluidum blir så sammenpresset inn i utløpskammeret 7 til kreftene som utøves på utløpsventilen 12 av trykket i kammeret 7 blir større enn kreftene på samme ventil 12 på grunn av trykket i utløpskretsen 10 pluss fjæren 14. I detteøyeblikk åpnes utløpsventilen 12, og fluidet blir støtt ut i utløps-kretsen. Volumet av fluidum som leveres til utløpskretsen 10 er lik volumet som fortrenges av glidestykket 9 når dette beveger seg inn i kammeret 7 fra den stilling det holder i det øyeblikk utløpsventilen 12 blir åpnet, opp til sin stasjonære posisjon som tilsvarer maksimum inntrenging i kammeret 7.

For mange fortrengningspumper er ikke denne beregningen tilstrekkelig: når glidestykket 9 trekkes ut av utløpskammeret 7 fra sin faste (maksimum inntrengning) stilling, er ikke utløps-ventilen 12 nødvendigvis lukket, spesielt hvis pumpen løper med høy hastighet. Et visst volum av fluidum flyter derfor tilbake inn i utløpskammeret 7 til utløpsventilen 12 lukkes. Dette volum må trekkes fra det volum som støtes ut av pumpen inn i utløps-kretsen 10, og det er lik det volum som fortrenges av glidestykket 9 når det trekkes ut fra sin faste (maksimum inntrengning) stilling i utløpskammeret 7, før stenging av utløps-ventilen 12.

Figur 3 er et blokkdiagram av en mikrodatamaskin. Blokk

15 er et mikroprosessorsystem med taktenhet, buss og lager-kretser. En beskyttet lagerkrets 16 er anordet for lagring av en viss mengde data, spesielt kalibreringsverdien for pumpene 4 og 5 som er forbundet med mikrodatamaskinen. Disse verdier tillater spesielt beregning av volumene som fortrenges av glidestykket 9 mellom dets faste posisjon og dets posisjon i det øyeblikk utløpsventilen 12 åpnes og stenges. Blokken 17 er forbindelsesdeler som danner samband med en flerpunkts serie-buss. I tillegg er trykksensorene 6 forbundet med mikrodatamaskinen 15 via adaptorene 18. På lignende måte er nærhets-detektorene 8 forbundet med mikrodatamaskin-systemet 5 via adaptorer 19. Blokkene 6, 18 og 19 er tilstrekkelig i antall til å forsyne en trykksensor 6 og en adaptor 18 per utløpskammer 7, og en nærhetsdetektor 8 og en adaptor 19 per pumpe 4 eller 5.

Figur 4 viser tre kurver som er plottet på tidsbasis. Kurven 21 viser variasjonen i utgangssignalet fra en utløpssensor som måler posisjonen av utløpsventilen 12. Ved nullpunktet er ventilen 12 i hvilestilling, og kurven er ved sitt maksimum. Når kurven begynner å falle av, viser dette at ventilen 12 beveger seg bort fra sin hvilestilling. Fluidum begynner da å flyte ut i utløpskretsen 10.

Når man kjenner tidspunktet ved origo, når glidestykket 9 er i sin faste stilling som tilsvarer maksimum uttrekking fra kammeret 7, pluss tidspunktet når ventilen 12 begynner å forlate sin hvilestilling, er det mulig å beregne volumet som fortrenges av glidestykket 9 mellom disse to tidspunkter. Kurven 22 representerer signalet fra en sensor 6 som er plassert i utløps-kammeret 7 tilsvarende den utløpsventil 12 hvis posisjon blir observert. Kurven 23 er det tidsderiverte av kurven 22. Forskning som ble utført under utvikling av denne oppfinnelsen viste at bruken av den deriverte kurven brakte tekniske forbedringer. En del av oppfinnelsen består av å bruke en trykksensor 6 til å detektere åpning og stengning av utløps-ventilen 12: bruk av en bevegelsessensor er ikke alltid egnet for måling av bevegelsen av ventilen 12 inne i pumpen, mens en trykksensor ikke har bevegelige deler og motstand mot trykk som skapes av pumpene. Videre gir en trykksensor 6 mer informasjon om pumpens driftsstatus enn man ville få fra en bevegelsessensor som måler bevegelsen av utløpsventilen 12. Det høyeste punkt på kurven 23 tilsvarer det nøyaktige tidspunkt for åpning av ventilen 12: dette brukes i programvaren for mikrodatamaskinen 3 til å bestemme tidspunktet for åpning av ventilen 12 fra formen av det signal som representerer trykket i kammeret. Stengnings-tidspunktet for utløpsventilen 12 blir beregnet på en lignende måte.

En annen teknikk som brukes til å bestemme tidspunktene for åpning og stengning av utløpsventilen 12 i en annen utførelse av oppfinnelsen gjør bruk av en sammenligning mellom signalene fra en trykksensor 6 i utløpskammeret 7 og en trykksensor av samme type i utløpskretsen 10. Når signalene er like, er utløps-ventilen 12 åpen. Hvis trykket i utløpskammeret er lavere enn trykket i utløpskretsen 10, vil ventilen 12 bli stengt. Noen vanskeligheter har vært møtt med denne teknikken, da den krever bruk av trykksensorer som er tilstrekkelig nøyaktige til å tillate en sammenligning. (Bruk av korrelerende algoritmer tillater korreksjon og sanntidssammenligning av signalene fra sensorene selv om sistnevnte ikke er svært nøyaktige. Bruken av slike algoritmer kan imidlertid vise seg å ta for lang tid i forhold til sanntidskravene i anvendelsen).

For visse anvendelser er pumpingen regelmessig: endringer

i den volumetriske effektivitet av pumpen foregår langsomt i forhold til pumpens driftshastighet pluss de beregninger som utføres av mikrodatamaskinen 3. I slike tilfeller hender det ofte at pumpens volumetriske effektivitet ikke varierer under flere pumpe-sykler. Det er derfor nødvendig bare å utføre effektivitetsberegningene hver n. syklus, og å forbinde flere pumper med en gitt mikrodatamaskin 3.

Mikrodatamaskinen 3 beregner den volumetriske effektivitet for hver pumpe etter tur. Denne verdien blir lagret i et lager og brukt så ofte som det er nødvendig (for eksempel hvert sekund), sammen med pumpens driftshastighet, for beregning av strømningshastigheten for hver pumpe (den volumetriske effektivitetsverdi er antatt å være konstant siden siste gang den ble beregnet).

Figur 5 viser signalene 24 og 25 fra to trykksensorer 6 i

to utløpskammere 7. Trykkesensoren 6 hvis signal er representert ved kurven 24, er plassert i et utløpskammer 7 hvis utløpsventil 12 er i god stand. På den annen side er utløpssensoren 6 hvis signal er representert ved kurven 25 i et utløpskammer 7 hvis utløpsventil 12 er defekt, slik at det er en lekkasje fra utløpskretsen 10 til utløpskammeret 7 når utløpsventilen 12 er i hvilestilling på sitt sete. Trykket i utløpskretsen 10 er større enn trykket i sugekretsen 15. De vertikale linjene representerer tidspunktene når de respektive utløpskammeres glidestykker 9 er stillestående. Oppfinnelsen er delvis basert på den observasjon, at mens kurven 24 viser at trykket i utløpskretsen 7 ikke øker før glidestykket 9 stopper, så stiger trykket i utløpskammeret 7 med en defekt utløpsventil 12 før glidestykket stopper.

En lignende observasjon kan gjøres for feil som forekommer ved inntaksventilen 11, stempelhylsene og brudd på fjærene 13 og 14. Disse observasjonene blir brukt i programvaren for mikro-datamaskinen 3 til å bestemme tilstanden av ventiler, hylser og fjærer.

Når en lekkasje er detektert (og på betingelse av at utløpstrekket er høyt nok), er det mulig å måle mengden av fluidum som lekker ved å analysere utviklingen av trykkstignings-kurven i kammeret 7.

Når systemet er i drift kjører mikrodatamaskinen et program lagret i et lager som inneholder et antall oppdrag som kan være som listet nedenfor (men ikke nødvendigvis i den rekkefølge):

- Energisering og initialisering av mikrodatamaskinen 15.

- Innsamling av data fra trykksensorene 6 og nærhets-detektorene 19. - Beregning av tidspunkter for åpning og stengning av utløpsventilen 12 for hvert utløpskammer 7 ved en av de frem-gangsmåtene som er beskrevet ovenfor. - Deteksjon av tilstanden for pumpene (løpende eller stoppet) og beregning av driftshastigheten for det gitte tilfelle.

- Beregning av tidspunktene for stopping av glidestykkene

9 for hvert utløpskammer 7 ved analyse av signalene fra nærhets-detektorene 8. - Beregning av fluidum-volum som strømmer ut av og volum som strømmer tilbake inn i hvert utløpskammer 7. - Sammenligning av beregnede verdier med bestemte verdier for å initiere visse beregninger for å sjekke tilstanden og korrigere driften av forskjellige (pumpe) deler, pluss beregning av mulige lekkasjer.

- Beregning av volumetrisk effektivitet for hver pumpe.

- Kalkulering av kumulativ strømning og volum for hver pumpe.

- Sending av data via databussen.

- Etter anmodning fra en lokal overvåkningsenhet, kjøring av testprogram eller spesielle kalibreringsprogrammer, lagring i permanent lager eller kommunikasjon av visse parametere.

Mikrodatamaskinen 3 kan utføre mange andre beregninger og kjøre andre programmer. De som er listet ovenfor, er gitt som eksempler.

Systemet ifølge oppfinnelsen er konstruert for å være tilstrekkelig fleksibel i anvendelse til å kunne brukes ved forskjellige typer av fortrengningspumper.

Vedheftede figur 6 representerer display-panelet for en enhet ifølge oppfinnelsen. Denne viser tydeligere den fremgang som er representert ved oppfinnelsen, siden den i tillegg til nøyaktige og presise målinger av strøm og volum, også frembringer en direkte avlesning av volumetrisk effektivitet samtidig som den indikerer feil ved driften. "Kammer"-vinduet som er utstyrt med lysemitterende dioder, indikerer det kammer ved hvilket feilen har oppstått, såvel som hvilken ventil det gjelder. Dette tillater en operatør å gripe inn umiddelbart og med maksimum effekt, noe som ikke er mulig med eksisterende systemer.

Claims (10)

1. Fortrengningspumpe og frie ventiler, karakterisert ved at de omfatter et system for å detektere åpning og stengning av minst en utlø psventil ved å observere trykket i minst ett stempel-utlø pskammer og/eller pumpe-utlø pskrets, kombinert med et system for å detektere stillingen av minst en bevegelig del som er mekanisk koblet til stempel-bevegelsen eller til et slikt system.

2. Pumpe ifølge krav 1, karakterisert ved at den detekterer åpning og lukking av alle utlø psventiler.

3. Pumpe ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den detekterer åpning og lukking av utløpsventilene ved å sammenligne trykket i utløps-kammeret og trykket i pumpens utløpskrets.

4. Pumpe ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den detekterer åpning og lukking av utløpsventilene ved å observere trykket i utløpskam-rene.

5. Pumpe ifølge ett av kravene 1 til 4, karakterisert ved at deteksjonssystemet omfatter en referanse som er festet til stempelet og hvis passering blir detektert av en passende detektor, for eksempel stålring, induksjonssensor, optisk referanse, optisk eller magnetisk sensor eller Hall-effektsensor.

6. Pumpe ifølge krav 1 til 5, karakterisert ved en sensor som måler trykket i et stempelkammer, der sensoren er montert på innsiden av kammer-klaffen.

7. System for å detektere åpning og lukking av minst en utlø psventil ved å observere trykket i et stempel-utløpskammer og/eller pumpe-utløpskrets, kombinert med et posisjons-deteksjonssystem som omfatter minst en bevegelig del mekanisk koblet til stempelbevegelsen.

8. System ifølge krav 7, karakterisert ved deteksjon av åpning og lukking av alle utløpsventilene.

9. System ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved deteksjon av åpning og lukking av en utløpsventil eller ventiler ved sammenligning av trykket i utløpskammeret og trykket i pumpens utløpskrets.

10. System ifølge kravene 7 eller 8, karakterisert ved deteksjon av åpning og lukking av utløpsventilene ved observasjon av trykket i utlø pskamrene.