WO2001088376A1 - Verfahren und einrichtung zur erfassung von pumpenbetriebsparametern einer membranfördereinheit - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur erfassung von pumpenbetriebsparametern einer membranfördereinheit Download PDF

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Gerhard Röhner
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    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/0009—Special features
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    • F04B43/0081—Special features systems, control, safety measures
    • F04B43/009—Special features systems, control, safety measures leakage control; pump systems with two flexible members; between the actuating element and the pumped fluid

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting pump operating parameters of a membrane delivery unit.
  • WO 95/06205 proposes to use an electrically conductive fiber made of polytetrafluoroethylene. It is embedded in a membrane layer made of the same material and works as a transmitter.
  • the fiber on the membrane is designed so that it covers essentially the entire deformation surface of the membrane in the form of a spiral or a double spiral.
  • the ends of the fiber are led out at the edge and connected to an electrical measuring device.
  • the measuring device determines the ohmic resistance of the fiber. As soon as the membrane layer shows signs of fatigue or cracks, these are transferred to the fiber. Staining of the fiber occurs and, as a result, the conductivity of the fiber changes, which is detected by the measuring device. With this transmitter embedded in a membrane layer, a crack or a beginning break of the membrane can be measured.
  • the disadvantage is the very complex production of the conductive plastic fiber and its embedding in the membrane layer. Another disadvantage is that the electrical conductivity changes only slightly due to expansion. The practical evaluation of the measurement signal is therefore limited to a damage statement. It can only be determined whether the membrane is intact.
  • the invention has for its object to provide a method and a device with the aid of which pump operating parameters of a membrane delivery unit can be recorded.
  • the conductivity of a resistance device attached to a membrane is measured as a time-dependent variable at least over a pump period and this variable is used in the detection.
  • the underlying technical problem is solved according to the invention in that an elastomer conductor loop is attached to a membrane of a membrane conveyor unit and is connected to a bridge branch of a Wheatston bridge and / or in series with a shunt and a change in the operating state of the membrane temporal change of the measuring voltage in the bridge branch or at the shunt causes.
  • the invention is based on the idea of arranging a resistive transmitter on a membrane in such a way that the instantaneous operating state of the membrane can be measured by the conductance over time.
  • the measurement signal thus obtained then reflects the current operating state actually prevailing on the membrane.
  • the conductivity of this resistance device changes in a characteristic manner over each pump cycle.
  • the membrane is stretched, the resistance device is stretched. As a result of this stretching, it undergoes a change in length with a simultaneous reduction in cross-section.
  • This geometric change in the resistance device is proportional to the electrical resistance of the transmitter, ie the resistance increases with an expansion.
  • the evaluation electronics it is possible to determine pump operating parameters from this time-dependent variable, such as pump frequency, number of pump cycles, dynamic pressure curve in the delivery chamber, and position of the neutral phases of the pump membrane.
  • the evaluation of the measurement signal in conjunction with a process control system enables safe monitoring of the function of the membrane conveyor unit and thus of safety-critical parts of a process. If, for example, the diaphragm is mechanically operated by a drive flange, then that fault can also be detected in which the drive is active, but the connection between the diaphragm and the drive flange has long been broken. Appropriate measurement data processing also allows past operating states to be registered.
  • the resistance device is formed by a surface conductor loop, which consists of a conductive plastic. Such materials can simply be screen printed onto a membrane layer.
  • a surface conductor loop formed from an electrically conductive elastomer is particularly suitable for a resistance device.
  • the material of this elastomer conductor loop has a specific electrical resistance of less than 300 ohm / cm.
  • the elastomer conductor loop can be produced simply by adding conductive carbon black or conductive graphite as a filler to the elastomer.
  • a transmitter can be produced that has similar mechanical properties to the rubber-elastic membrane plate itself.
  • the sensor does not have a disturbing effect when the rubber-elastic membrane plate moves.
  • the transmitter can be designed so that its tensile strength is between 8 and 25 N / mm 2 and its elongation at break is between 50 and 400% and the specific resistance is less than 300 ohm / cm.
  • the electrical resistance is the Elastomer conductor loop low. In this resistance range, a change in conductivity is easy to measure.
  • the surface conductor loop is advantageously switched in at least one bridge branch of a Wheatston bridge and the time-dependent size in the diagonal branch of the bridge is obtained. This enables the pump operating parameters to be recorded with high sensitivity.
  • a very simple measuring arrangement can be obtained if the surface conductor loop is connected in series with a voltage source and a shunt, and the time-dependent variable is obtained by measuring the voltage drop across the shunt.
  • the time-dependent variable is a mixed variable with a periodic course.
  • the measured variable consists of a constant component over which an alternating component is superimposed.
  • the pump frequency can be determined in a simple manner by determining the pump frequency from the alternating component of the measurement signal, for example by means of a bistable flip-flop.
  • the delivery pressure can also be determined from the alternating component of the time-dependent variable.
  • the elastomer conductor loop lies against the membrane and is connected to it. Both are rubber-elastic and have similar mechanical properties. Expansion of the membrane consequently causes the elastomer conductor loop to expand to the same extent.
  • the instantaneous value of the expansion of the diaphragm thus corresponds to the current delivery pressure in the working chamber of the pump.
  • a process control system can use this signal in conjunction with the pump frequency to calculate the delivery rate, i.e. a quantitative load on the membrane in the past. This makes it possible to have a favorable time for a membrane change to be determined.
  • the operating parameters such as dynamic pressure curve, pump frequency, and number of cycles during an operating time of a long-term registration are of course also available.
  • Damage monitoring of the membrane can be carried out in a simple manner by averaging the time-dependent variable.
  • a membrane breakage can be signaled by comparison with a predetermined threshold value.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of a device for
  • Figure 2 is a partial sectional view of a mechanically operated membrane with a resistance device
  • FIG. 3 shows a measurement protocol for the conductance of one at a
  • Membrane-attached resistance device shown as a current curve as a function of time.
  • FIG. 1 An elastomer conductor loop 1 is connected in series with a voltage supply 3 and a measuring resistor, a shunt 2.
  • the elastomeric loop is drawn schematically as a meander.
  • the meander is designed so that it covers the deformation area of the membrane.
  • the time-dependent variable is measured as a voltage drop at the shunt 2.
  • evaluation electronics 4 are connected on the one hand to the shunt 2, and on the other hand via connecting lines 5 to a process control system (not shown).
  • FIG. 2 shows a partial sectional view of a mechanically operated membrane.
  • the rubber-elastic membrane plate 6 is periodically deflected by a metal flange 7. It denotes OT a top dead center, UT a bottom dead center and N the neutral position of the membrane.
  • the resistance device 1 is fastened with the rubber-elastic membrane.
  • a protective layer 8 protects the membrane and the resistance device 1 against the conveying fluid.
  • FIG. 3 shows the time-dependent variable that is measured on the shunt 2.
  • the measurement shows the electrical current through the shunt 2 as a mixed quantity.
  • the periodic deflection of the membrane corresponds to maxima or minima in the mixed size.
  • the bottom dead center of the membrane is shown with UT, the top dead center of the membrane with OT and the neutral phase of the membrane with N. claims
  • a method for detecting pump operating parameters of a membrane delivery unit characterized in that the conductivity of a resistance device attached to a membrane is measured at least over a pump period as a time-dependent variable and this
  • the method according to claim 5 characterized in that the delivery pressure is determined from the amplitude of the alternating component. 7. The method according to claim 3 or 4, characterized in that the time-dependent variable is obtained by averaging and used for monitoring the damage to the membrane.
  • an elastomeric loop is attached to a membrane of a membrane conveyor unit and is connected in a bridge branch of a Whetaston bridge or in series with a shunt, and a change in the operating state of the membrane is a change in the measurement voltage in the bridge branch over time or at the shunt.

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Abstract

Verfahren zur Erfassung von Pumpenbetriebsparametern einer Membranfördereinheit, wobei die Leitfähigkeit einer an einer Membran befestigten Widerstandseinrichtung zumindest über eine Pumpperiode als zeitabhängige Größe gemessen und diese Größe bei der Erfassung herangezogen wird.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Erfassung von Pumpenbetriebsparametern einer
Membranfördereinheit
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erfassung von Pumpenbetriebsparameterή einer Membranfördereinheit.
Stand der Technik
Bei vielen Einsatzgebieten von Membranpumpen ist es erforderlich, Pumpenbetriebsparameter messtechnisch erfassen zu können. Wenn die Fördereinheit für toxische oder feuergefährliche Flüssigkeiten verwendet wird, sind hohe sicherheitstechnische Anforderungen zu erfüllen. Die Funktionsfähigkeit dieser Anlagen wird in der Regel von einem Prozessleitungssystem überwacht. Dieses schaltet im Störfall auf einen redundanten Förderkreis um. Man ist bestrebt, ein Versagen der Pumpe möglichst vorausschauend ermitteln zu können. Die Membran einer Membranfördereinheit ist jenes Bauteil mit der höchsten Ausfallrate. Sie unterliegt während der gesamten Betriebsdauer einer periodischen Wechselbeanspruchung. Zur Voraussage einer Störung einer Pumpenmembran wird in WO 95/06205 vorgeschlagen, eine elektrisch leitende Faser aus Polytetrafluorethylen zu verwenden. Sie ist in eine Membranschicht aus gleichem Werkstoff eingebettet und arbeitet als Messumformer. Die Faser ist auf der Membran so ausgelegt, dass sie im wesentlichen die gesamte Verformungsfläche der Membran in Form einer Spirale oder einer Doppelspirale abdeckt. Die Enden der Faser sind am Rand heraus geführt und mit einer elektrischen Messvorrichtung verschaltet. Die Messvorrichtung ermittelt den Ohmschen Widerstand der Faser. Sobald die Membranschicht Ermüdungserscheinungen oder Risse aufweist, übertragen sich diese auf die Faser. Es kommt zu einem Anreißen der Faser und als Folge davon ändert sich die Leitfähigkeit der Faser, was durch die Messeinrichtung detektiert wird. Durch diesen in eine Membranschicht eingebetteten Messumformer ist also ein Riss oder ein beginnender Bruch der Membran messtechnisch erfassbar. Von Nachteil ist die sehr aufwendige Fertigung der leitfähigen Kunststofffaser, sowie deren Einbettung in die Membranschicht. Von Nachteil ist auch, dass sich die elektrische Leitfähigkeit nur geringfügig durch Dehnung ändert. Die praktische Auswertung des Messsignals beschränkt sich daher auf Schadensaussage. Es kann nur festgestellt werden, ob die Membran unversehrt ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe Pumpenbetriebsparameter einer Membranfördereinheit erfasst werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Erfassung von Pumpenbetriebsparametern einer Membranfördereinheit durch die technischen Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nehmen die Unteransprüche Bezug. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Leitfähigkeit einer an einer Membran befestigten Widerstandseinrichtung zumindest über eine Pumpperiode als zeitabhängige Größe gemessen und diese Größe bei der Erfassung herangezogen. Bei einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird das zugrundeliegende technische Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Elastomerleiterschlinge an einer Membran einer Membranfördereinheit befestigt und in einen Brückenzweig einer Wheatstonschen Brücke und/oder in Reihe mit einem Shunt geschaltet wird und eine Änderung des Betriebszustands der Membran eine zeitliche Änderung der Messspannung im Brückenzweig oder am Shunt bewirkt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen resistiven Messumformer an einer Membran so anzuordnen, dass der augenblickliche Betriebszustand der Membran durch den zeitlichen Verlauf der Leitfähigkeit gemessen werden kann. Das so gewonnene Messsignal gibt dann den momentanen, an der Membran tatsächlich vorherrrschenden Betriebszustand wieder. In Abhängigkeit von Last und Hub ändert sich die Leitfähigkeit dieser Widerstandseinrichtung in charakteristischer Weise über jeden Pumpzyklus. Bei Dehnung der Membran wird die Widerstandseinrichtung gedehnt. Durch diese Dehnung erfährt sie eine Längenänderung bei gleichzeitiger Querschnittsverringerung. Diese geometrische Änderung der Widerstandseinrichtung ist dem elektrischen Widerstand des Messumformers proportional, d. h. bei einer Dehnung steigt der Widerstand an. Durch eine Auswerteelektronik ist es möglich, aus dieser zeitabhängigen Größe Pumpenbetriebsparameter zu ermitteln, wie Pumpfrequenz, Anzahl der Pumpzyklen, dynamischer Druckverlauf in der Förderkammer, sowie Lage der neutralen Phasen der Pumpenmembran. Die Auswertung des Messsignals ermöglicht in Verbindung mit einem Prozessleitsystem eine sichere Überwachung der Funktion der Membranfördereinheit und damit von sicherheitskritischen Teilen eines Prozesses. Wird beispielsweise die Membran mechanisch durch einen Antriebsflansch betrieben, so ist auch jener Störfall erfassbar, bei dem der Antrieb zwar aktiv ist, die Verbindung zwischen Membran und Antriebsflansch sich aber längst gelöst hat. Durch eine geeignete Messdatenverarbeitung sind auch zurückliegende Betriebszustände registrierbar.
Es ist von Vorteil, wenn die Widerstandseinrichtung durch eine Flächenleiterschlinge gebildet wird, die aus einem leitfähigen Kunststoff besteht. Derartige Materialien lassen sich einfach mittels Siebdruck flächig auf eine Membranschicht aufdrucken. Bei einem elektrisch leitfähigen Elastomer kann dessen Leitfähigkeit durch die Menge von elektrisch leitfähigen Füllstoffen vorgegeben werden. Besonders geeignet für eine Widerstandseinrichtung ist eine aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildete Flächenleiterschlinge. Das Material dieser Elastomerleiterschlinge hat einem spezifischen elektrischen Widerstand von kleiner als 300 Ohm/cm. Die Elastomerleiterschlinge kann einfach hergestelltet werden, indem man dem Elastomer Leitruß beziehungsweise Leitgraphit als Füllstoff zugibt. So lässt sich ein Messumformer herstellen, der ähnliche mechanische Eigenschaften aufweist, wie der gummielastische Membranteller selbst. Dadurch wirkt der Sensor bei Bewegung des gummielastischen Membrantellers nicht störend. Der Messumformer kann so ausgeführt werden, dass seine Zugfestigkeit zwischen 8 und 25 N/mm2 und seine Bruchdehnung zwischen 50 bis 400 % liegt und der spezifische Widerstand dabei kleiner als 300 Ohm/cm ist. Verglichen mit anderen leitfähigen Kunststoffen, wie sie beispielsweise für elektrisch leitende Fußböden verwendet werden, ist der elektrische Widerstand der Elastomerleiterschlinge niedrig. In diesem Widerstandsbereich ist eine Änderrung der Leitfähigkeit einfach zu messen.
Mit Vorteil wird die Flächenleiterschlinge in zumindest einem Brückenzweig einer Wheatstonschen Brücke geschaltet und die zeitabhängige Größe im Diagonalzweig der Brücke gewonnen. Dadurch können die Pumpenbetriebsparameter mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden.
Eine sehr einfache Messanordnung erhält man, wenn man die Flächenleiterschlinge in Reihe mit einer Spannungsquelle und einem Shunt schaltet und die zeitabhängige Größe dadurch gewinnt, indem man den Spannungsabfall am Shunt mißt.
Bei Betrieb der Pumpe ist die zeitabhängige Größe eine Mischgröße mit periodischem Verlauf. Die Messgröße besteht aus einem Gleichanteil dem ein Wechselanteil überlagert ist. Die Pumpfrequenz kann auf einfache Weise dadurch ermittelt werden, indem man aus dem Wechselanteil des Messsignals, beispielsweise durch eine bistabile Kippstufe, die Pumpfrequenz ermittelt.
Aus dem Wechselanteil der zeitabhängigen Größe lässt sich auch der Förderdruck ermitteln. Die Elastomerleiterschleife liegt an der Membran an und ist mit dieser verbunden. Beide sind gummielastisch und besitzen ähnlich mechansiche Eigenschaften. Eine Dehnung der Membran bewirkt folglich in gleichem Maße eine Dehnung der Elastomerleiterschlinge. Damit entspricht der Augenblickswert der Dehnung der Membran dem augenblicklich herrschenden Förderdruck in der Arbeitskammer der Pumpe. Ein Prozessleitsystem kann aus diesem Signal in Verbindung mit der Pumpfrequenz die Förderleistung, also eine quantitative Belastung der Membran in der Vergangenheit errechnen. Dadurch ist es möglich einen günstigen Zeitpunkt für einen Membranwechsel zu ermittelt . Femern stehen natürlich die Betriebsparameter, wie dynamischer Druckverlauf, Pumpfrequenz, Zahl der Zyklen während einer Betriebszeit einer Langzeitregistrierung zur Verfügung.
Die Schadensüberwachung der Membran kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, indem man eine Mittelwertbildung der zeitabhängigen Größe durchführt. Durch Vergleich mit einem vorgegebenen Schwellwert kann ein Membranbruch signalisiert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zur Erfassung der Pumpenbetriebsparameter einer Membranfördereinheit ;
Figur 2 eine Teilschnittdarstellung einer mechanisch betätigten Membran mit einer Widerstandseinrichtung;
Figur 3 ein Messprotokoll über den Verlauf der Leitfähigkeit einer an einer
Membran befestigten Widerstandseinrichtung, dargestellt als Stromverlauf in Abhängigkeit der Zeit.
Ausführung der Erfindung In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung gezeigt. Eine Elastomerleiterschlinge 1 ist in Reihe mit einer Spannungsversorgung 3 und einem Messwiderstand, einem Shunt 2, geschaltet. Die Elastomerieiterschlinge ist schematisch als Mäander gezeichnet. Der Mäander ist so ausgeführt, daß er den Verformungsbereich der Membran abdeckt. Die zeitabhängige Größe wird als Spannungsabfall am Shunt 2 gemessen. Zur Messdatenverarbeitung ist eine Auswerteelektronik 4 einerseits mit dem Shunt 2 verbunden, anderseits über Verbindungsleitungen 5 mit einem nicht dargestellten Prozessleitsystem .
In Figur 2 ist eine Teilschnittdarstellung einer mechanisch betätigten Membran gezeigt. Der gummielastische Membranteller 6 wird durch einen Metallflansch 7 periodisch ausgelenkt. Es bezeichnet OT einen oberen Todpunkt, UT einen unteren Todpunkt und N die neutrale Lage der Membran. Wie die Schnittdarstellung zeigt, ist die Widerstandseinrichtung 1 mit der gummielastischen Membran befestigt. Eine Schutzschicht 8 schützt Membran und Widerstandseinrichtung 1 gegenüber dem Förderfluid.
In Figur 3 ist die zeitabhängige Größe die, am Shunt 2 gemessen wird, dargestellt. Die Messung zeigt den elektrischen Strom durch den Shunt 2 als eine Mischgröße. Der periodischen Auslenkung der Membran entsprechen dabei Maxima beziehungsweise Minima in der Mischgröße. Mit UT ist der untere Todpunkt der Membran, mit OT der obere Todpunkt der Membran und mit N die neutrale Phase der Membran dargestellt. Patentansprüche
1. Verfahren zur Erfassung von Pumpenbetriebsparametern einer Membranfördereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit einer an einer Membran befestigten Widerstandseinrichtung zumindest über eine Pumpperiode als zeitabhängige Größe gemessen und diese
Größe bei der Erfassung herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung durch eine Elastomerieiterschlinge gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerieiterschlinge in zumindest einen Brückenzweig einer Wheatstonschen Brücke geschaltet wird und die zeitabhängige Größe durch eine Messspannung im Diagonalzweig der Wheatstonschen Brücke gewonnen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerieiterschlinge in Reihe mit einem Shunt geschaltet wird und die zeitabhängige Größe durch die Messspannung am Shunt gewonnen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Wechselanteil des Messsignals die Pumpfrequenz ermittelt wird.
6. Verfahren Nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Amplitude des Wechselanteils der Förderdruck ermittelt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitabhängige Größe durch eine Mittelwertbildung gewonnen und zur Schandensüberwachung der Membran herangezogen wird.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elastomerieiterschlinge an einer Membran einer Membranfördereinheit befestigt und in einen Brückenzweig einer Whetastonschen Brücke oder in Reihe mit einem Shunt geschaltet wird und eine Änderung des Betriebszustands der Membran eine zeitliche Änderung der Messspannung im Brückenzweig oder am Shunt bewirkt.
PCT/EP2001/005606 2000-05-18 2001-05-16 Verfahren und einrichtung zur erfassung von pumpenbetriebsparametern einer membranfördereinheit WO2001088376A1 (de)

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