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EP1759117B1 - Verfahren und vorrichung zur überwachung eines mittels einer pumpe geförderten fluidtsromes - Google Patents

Verfahren und vorrichung zur überwachung eines mittels einer pumpe geförderten fluidtsromes Download PDF

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Publication number
EP1759117B1
EP1759117B1 EP06724227.1A EP06724227A EP1759117B1 EP 1759117 B1 EP1759117 B1 EP 1759117B1 EP 06724227 A EP06724227 A EP 06724227A EP 1759117 B1 EP1759117 B1 EP 1759117B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
pump
stroke
motor
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP06724227.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1759117A1 (de
Inventor
Sergei Gerz
Klaus Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Grundfos Holdings AS
Original Assignee
Grundfos Water Treatment GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Grundfos Water Treatment GmbH filed Critical Grundfos Water Treatment GmbH
Publication of EP1759117A1 publication Critical patent/EP1759117A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1759117B1 publication Critical patent/EP1759117B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/0009—Special features
    • F04B43/0054—Special features particularities of the flexible members
    • F04B43/0072—Special features particularities of the flexible members of tubular flexible members
    • 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
    • F04B13/00—Pumps specially modified to deliver fixed or variable measured quantities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B51/00—Testing machines, pumps, or pumping installations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/02—Piston parameters
    • F04B2201/0201—Position of the piston
    • 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
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/03—Pressure in the compression chamber

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for monitoring a pumped by a pump fluid flow.
  • a pressure sensor is attached to the hydraulic space of a pump and measures the pressure in that space.
  • This pressure is not representative of the pressure in the dosing, in particular due to the inherent stiffness of the membrane, which is particularly the case for double leak detection used for the case and also due to a possibly used return spring, without which in turn a safe suction is often not guaranteed.
  • Criteria for the recognition of error functions should be only the mean suction and delivery pressure and the efficiency of the pump, which can only describe a faulty behavior very globally.
  • the DE 197 38 844 A1 shows a method and apparatus for continuous electronic monitoring of
  • the device for this purpose must have three sensors, namely a pressure sensor, a stroke length sensor and a pulse generator, since the pulse generator initiates the detection of measured values by detecting or detecting the start of the promotion during passage of the piston in the - dead - and the (maximum) conveying process should be determined by the stroke length sensor.
  • the pressure sensor records pressure values at constant time intervals. An analysis and a comparison with deficient operating states stored in an evaluation unit are carried out to determine possible errors.
  • a disadvantage is the effort to be continuously monitored, especially in terms of device technology and the limitation of the use of the method and apparatus of the invention to constant angular velocities and thus conveyor operations.
  • the EP 1 437 509 A2 relates to a monitoring device for controlling the two cylinders of a piston pump by means of the pump pressure for a continuous metering in the chromatography.
  • the pressure is measured in the piston chamber with the help of a pressure sensor and compared with nominal values.
  • a speed controlled electric motor is used to drive a speed controlled electric motor.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for monitoring a pumped by a pump fluid flow, by means of which while reducing the technical complexity and avoiding limitations, a reliable and accurate fault detection Identification in a wide range of applications is possible.
  • the object is achieved by a method of the type mentioned, which further has the characterizing features of claim 1.
  • the invention further provides a device of the type mentioned above with the features of claim 21, which is characterized by at least one pressure sensor for continuous or quasi-continuous measurement of the pressure of the fluid at least in some areas of the stroke of the pump and through a comparison device for comparing the measured actual values of the pressure with target values.
  • the latter can be specified for the respective pump type-specific as empirical values based on the knowledge of parameters of a pump and the use of the same, but also be obtained by a reference measurement from a faultless system.
  • the actual values of the pressure are assigned to positions of the piston or of the diaphragm of the pump and compared with the desired values corresponding to the same positions.
  • the desired values of the pressure are preferably assigned in an indicator diagram of the piston position, which corresponds to a fault-free operation.
  • an indicator diagram is generally also a pressure curve diagram, it specifically indicates the pressure curve over the piston path - ie for the pressure and suction strokes - as a closed line in the manner of a circular process. It is therefore much more universal than a pressure-time diagram, which in contrast is time- and speed-dependent.
  • the indicator diagram may be as above either before installation the pump with the rest of the software are specified type specific and / or in each case new and the Situation to be generated accordingly. It is essential that the pressure curve is determined via the piston travel and does not respond to the time in any way and that a comparison with ideal target values for a trouble-free system, but not with poor operating conditions.
  • the desired values of the pressure at each measured time are determined from the travel diagram of an engine driving the pump.
  • the driving diagram of the motor is the course of the revolution (steps / angles / reference points) of the same over time.
  • this travel diagram is predetermined by the speed control. This is due to a rigid coupling or transmission of the rotational movement of the drive motor to the piston or the diaphragm by means of a gearbox, the position of these parts always known and thus given movement or speed of the piston, the speed may be different or can change. In this case, for example, the rotational speed during the compression stroke may be slower than during the suction stroke.
  • the assignment of time and position is carried out by the engine and control of the same having drive system.
  • the engine is a step-by-step reversible motor such as a stepping motor, electronically commutated motor (EC motor) or the like.
  • the movement of the motor is carried out step by step - control of the engine, so that the control of the engine always "knows" how the engine and thus the piston is.
  • a sensor for instantaneous determination of the position of the piston over its entire path is not necessary and not provided.
  • the drive system However, only for synchronization of the engine control have a certain position of the piston having synchronizing.
  • While an extremely preferred embodiment provides that the pressure in a metering chamber of the pump is measured, it can also be provided that the pressure in a supply line or in an outlet line to or from the metering chamber of the pump is measured. As a result, individual characteristic values can be determined. In a preferred embodiment, measurements take place in the dosing space and in a supply and / or the discharge line. As a result, a large number of values for determining a wide variety of errors can be detected, in some cases also redundantly.
  • a control of the pump in terms of a constant or desired flow rate is possible.
  • a preferred embodiment of the invention provides that in the event of a deviation of the actual value from the pressure of the setpoint value, an error message is output.
  • the pressure profile is monitored at the end of the suction stroke and / or at the beginning of the pressure stroke, wherein in the case of persistence of the actual value of the pressure in the negative pressure region cavitation is present in both cases and reported, if necessary.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the pressure curve in the area of the dead points of the pump is monitored, wherein in particular arranged at a faster pressure increase at the beginning of the pressure stroke and / or slow pressure reduction at the beginning of the suction stroke of a leakage in a downstream of the dosing Pressure valve is reported.
  • a leakage of a suction valve arranged in the inflow of the dosing head is reported.
  • an error message may be output at the SETPOINT value of the pressure during the monitoring process.
  • Such a pressure behavior which indicates an unacceptably high system pressure, can occur, for example, when a pressure-side slide is inadmissibly closed.
  • a leakage in the pressure line indicating leakage message is output at the target value of the pressure below the actual values.
  • the device according to the invention can be characterized in that a speed-controlled motor is provided for driving the pump, the angular position of which can in turn be used to determine the desired values for the pressure.
  • the comparison device is designed in particular in a computer, such as a PC, microcontroller or the like and can in particular control a motor control for a motor of the pump.
  • a computer such as a PC, microcontroller or the like
  • input units for inputting input data, volume flow settings, evaluation strategies, maximum permissible pressure or the like as well as output units for outputting output data, such as error messages, pressure values, indicator diagram or the like may be provided.
  • the pressure sensor is arranged in the dosing, further embodiments may provide that a pressure sensor in a supply line to the dosing and / or a pressure sensor is arranged in an output line from the dosing.
  • the comparison device compares steadily in critical phases of the pressure and suction stroke the instantaneous pressure curve (actual value) with that of a fault-free pressure curve (nominal value) and detects depending on the size of the deviation, whether the consequent dosage error is still tolerable is or is not and gives, if appropriate, a corresponding signal for the desired consequences.
  • the numerous error causes occurring in practice can be detected and detected, such as cavitation, air bubbles, leaks and faults on the pressure and suction side.
  • dosing errors can be compensated in a simple manner as a result of pressure fluctuations on the pressure side by adjusting the speed.
  • the in the Fig. 1 illustrated preferred embodiment of a device 1 according to the invention for monitoring a pumped by a pump fluid has a pump 2 with a metering chamber 3.
  • the pump 2 is formed in the illustrated embodiment as a diaphragm pump and therefore has a membrane 4.
  • the membrane 4 is of a Motor 5 driven and moved via the output shaft.
  • a suction valve 8 is arranged in an outlet 9 from the metering chamber 3, a pressure valve.
  • the motor 5 is associated with a motor controller 11, by means of which on the one hand the motor operation is controlled and on the other hand in a speed-controlled motor, as well as a stepper motor, a motor position to a computer 12 (PC, microcontroller) reports, creating a travel diagram of the piston with is given known piston position or speed at any time, the controller so "white” at any time, where the piston is located.
  • a pressure sensor 13 is arranged, which is designed in particular as a pressure-voltage converter and the output signal via a line 14 is also supplied to the computer 12.
  • the computer 12 is a comparison device for comparing actual values of the pressure measured by the pressure sensor 13 with the indicator diagram present from the motor position of the engine controller 11 in the context of a nominal pressure of a piston position ( Fig. 4-7 ) of the pump of certain desired values of the pressure and to effect an action in the event that both do not match. This action may consist, for example, in a speed adjustment via the control line 15 to the engine control 11 so as to adjust the engine speed.
  • the computer 12 further input units 16 and output units 17 are assigned. About the input units, such as a keyboard, mass storage, etc. input data, such as flow adjustment, evaluation strategy, maximum allowable pressure or the like can be specified to the computer 12. Via the output units, such as screen, printer, loudspeaker, siren, optical path display, output data such as error messages, pressure values, indicator diagrams or the like can be output.
  • the Fig. 2a to 2f show further embodiments of the arrangement of pressure sensors for pressure detection. So is in the design of the Fig. 2a a pressure sensor 13a in the suction line 18, in the embodiment of Fig. 2b a pressure sensor 13b arranged in the pressure line 19 and in the embodiments of Fig. 2c to 2f Combinations of these pressure sensors 13, 13a, 13b are provided.
  • the delayed start of a suction phase can be detected simply and precisely, while by means of a pressure sensor 13b on the pressure side, premature pressure reduction at the end of a pressure stroke as well as failure to reach the (output) system pressure can be detected simply and precisely
  • the error detection can be improved.
  • the Fig. 4 to 7 show indicator diagrams (Pressure graphs of the pressure across the stroke), where the stroke position with pressure 0 is the position of maximum size of the dosing chamber, in which the membrane in the Fig. 1
  • the stroke value 100% denotes the largely right position of the diaphragm and thus largely reduction of the dosing, then uses the suction stroke.
  • the Fig. 4 shows, as well as the Fig. 5 to 7 dashed the normal pressure curve in the dosing without any error, so a common indicator diagram.
  • a solid continuous line is in the Fig. 4 the pressure curve when cavitation occurs, ie the formation of vapor bubbles at low pressure, during the suction stroke in the liquid medium shown.
  • the relative pressure during the suction stroke is negative and is below the pressure in a trouble-free case.
  • the pressure build-up over the normal course is much delayed, so it remains lower in the initial phase of the pressure stroke than during normal course.
  • At the beginning of the printing stroke thus remains the actual value of the pressure in the negative pressure range, so that such a dosing error can be determined due to cavitation.
  • Fig. 5 In the Fig. 5 is shown with a solid line the pressure curve when air or gas (without cavitation) occurs. It can be seen that, in contrast to cavitation, the increase in pressure takes place immediately at the beginning of the pressure stroke, but in the initial region of the pressure stroke, it is much flatter than during normal course. The occurrence of air or gas can thus be determined, in particular, by determining the actual gradient of the pressure profile with respect to the desired gradient, as a result of which it is possible to distinguish it from cavitation, since the gradient is substantially the same as in the normal pressure curve.
  • the Fig. 6 also shows in solid line the pressure curve for leaks in the pressure valve, so that the pressure valve does not close completely, so that at the beginning of the suction stroke, the pressure drop is much slower than normal course, as liquid through the pressure valve can flow back.
  • the pressure increase at the beginning of the print stroke is faster or earlier than usual.
  • the Fig. 7 shows with continuous continuous line the diagram for an outflowing leakage in the suction valve and / or to the outside.
  • the leak is not only a slow increase in pressure, but the pressure can be lower overall than during normal course.
  • premature pressure drop occurs at the end of the pressure stroke.
  • step E The sequence of a preferred embodiment of the method according to the invention is with the diagram of Fig. 8 shown. If the pressure remains at the end of the suction stroke and at the beginning of the pressure stroke in the vacuum region (steps A, B; Fig. 4 ), it is checked whether the present cavitation is still within a permissible range and / or the system pressure - in the further Druckhub phase - the predetermined pressure corresponds (steps C, D). If this is not the case, then an error signal is specified with regard to a false lift indicating a cavitation and / or a system pressure (step E).
  • a pressure valve test is carried out, ie it is checked whether the pressure drop at the beginning of the suction stroke is too slow and the pressure build-up at the beginning of the pressure stroke is too fast. Furthermore, a system pressure test is also carried out by checking the pressures during the course of pressure and optionally suction stroke (step F; Fig. 6 ). If errors occur (step G), an error message regarding the faulty pressure valve (step H) also occurs. If no errors occur, a check for interfering gas bubbles in the dosing chamber takes place in the following (step I) Fig. 5 So, whether the gradient at the pressure build-up (and the pressure drop) is much flatter than that during normal operation. If this is the case (query J), then a corresponding error message (K).
  • step L a test for leakage in the suction valve and / or to the outside space corresponding to the Fig. 7 So, in effect, whether the pressure built up is too low, the pressure drop occurs at the end of the printing phase and / or a lesser pressure gradient occurs in the compression phase.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Infusion, Injection, And Reservoir Apparatuses (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines mittels einer Pumpe geförderten Fluidstromes.
  • Bei der Förderung eines Fluids durch eine Pumpe können verschiedene Probleme auftreten, so kann bei konstanter Drehzahl des die Pumpe antreibenden Motors der Volumenstrom in unerwünschter Weise durch Druckschwankungen im System verändert sein, beispielsweise bei Steigung des Anlagendruckes abfallen. Weiterhin können eine Reihe von Fehlern auftreten, wie eine unzulässig hohe Kavitation, ein flacher Druckanstieg zu Beginn des Druckshubs mit einer verminderten Förderleistung aufgrund von Luft- oder Gaseinschlüssen, Leckagen zum Außenraum sowie hinsichtlich des Einlass- und Auslassventils (Saug- bzw. Druckventil). Wenn derartige Fehler auftreten, so sollten sie entweder behoben werden oder aber zumindest eine entsprechende Fehlermeldung erfolgen.
  • Zur Fehlererkennung ist ein System bekannt, bei dem ein Drucksensor am Hydraulikraum einer Pumpe angebracht wird und den Druck in diesem Raum misst. Dieser Druck ist nicht repräsentativ für den Druck im Dosierraum, insbesondere aufgrund der Eigensteifigkeit der Membran, was insbesondere bei zur Leckerkennung eingesetzten Doppelmembranen verstärkt der Fall ist und auch aufgrund einer gegebenenfalls eingesetzten Rückholfeder, ohne die wiederum eine sichere Saugfunktion oftmals nicht gewährleistet ist. Kriterien zur Erkennung von Fehlerfunktionen sollen lediglich der mittlere Saug- und Förderdruck sowie der Wirkungsgrad der Pumpe sein, die ein Fehlverhalten nur sehr global beschreiben können.
  • Weiter ist es bekannt, druckseitig einen Drucksensor vorzusehen und Fehlersignale zu erzeugen, wenn der Systemdruck einen unteren vorgegebenen Wert unterschreitet und einen oberen vorgegebenen Wert überschreitet. Eine Steuerung der Pumpe ist hiermit ebenso wenig möglich wie eine präzise Fehlererkennung und Fehleridentifizierung.
  • Es ist bekannt, zur Erkennung mangelhafter Betriebszustände einer Pumpe zeitlich den Druckverlauf über den Kolbenhub aufzunehmen, indem während des Kolbenverlaufs laufend Druckwerte in konstanten Zeitintervallen aufgenommen und die Druckänderung über die Zeit untersucht wird. Nachteilig ist, dass diese eine bekannte, fest vorgegebene Kolben- bzw. Motorbewegung, die mit konstanter Winkelgeschwindigkeit voraussetzt.
  • Die DE 197 38 844 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen elektronischen Überwachung von
  • Funktionen einer Dosierpumpe, wobei die Vorrichtung hierzu drei Sensoren, nämlich einen Drucksensor, einen Hublängengeber und einen Impulsgeber aufweisen muss und aufweist, da der Impulsgeber durch Detektion bzw. Feststellung des Beginns der Förderung bei Durchgang des Kolbens in der - hinteren - Totpunktlage die Messwerterfassung initiiert und durch den Hublängengeber der (maximale) Fördervorgang bestimmt werden soll. Während des Pumpvorganges werden durch den Drucksensor Druckwerte in konstanten Zeitintervallen aufgenommen. Es erfolgt eine Analyse und ein Vergleich mit in einer Auswerteeinheit hinterlegten mangelhaften Betriebszuständen zur Bestimmung von eventuell auftretenden Fehlern. Nachteilig ist der zur kontinuierlichen Überwachung zu treibende Aufwand, insbesondere auch in vorrichtungstechnischer Hinsicht sowie die Einschränkung des Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf konstante Winkelgeschwindigkeiten und damit Fördervorgänge.
  • Die EP 1 437 509 A2 betrifft eine Überwachungseinrichtung zur Ansteuerung der zwei Zylinder einer Kolbenpumpe mit Hilfe des Pumpendruckes für eine kontinuierliche Dosierung in der Chromatographie. Der Druck wird im Kolbenraum mit Hilfe eines Drucksensors gemessen und mit SOLL-Werten verglichen. Zum Antrieb wird ein Drehzahl gesteuerter Elektromotor verwendet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines mittels einer Pumpe geförderten Fluidstromes zu schaffen, mittels derer unter Reduzierung des technischen Aufwandes und Vermeidung von Einschränkungen eine zuverlässige und präzise Fehlererkennung -Identifizierung in einem breiten Einsatzbereich möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches weiterhin die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung weiterhin eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 21 vor, welche gekennzeichnet ist durch mindestens einen Drucksensor zur kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Messung des Druckes des Fluids zumindest in Teilbereichen des Hubs der Pumpe und durch eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der gemessenen IST-Werte des Drucks mit SOLL-Werten. Letztere können für die jeweilige Pumpe typspezifisch vorgegeben sein als Erfahrungswerte aufgrund der Kenntnis von Parametern einer Pumpe und des Einsatzes derselben, aber auch durch eine Referenzmessung aus einem fehlerfreien System gewonnen sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die IST-Werte des Druckes Positionen des Kolbens bzw. der Membran der Pumpe zugeordnet und mit den gleichen Positionen entsprechenden SOLL-Werten verglichen werden. Die SOLL-Werte des Druckes werden vorzugsweise in einem Indikatordiagramm der Kolbenposition zugeordnet, wobei dies einem fehlerfreien Betrieb entspricht. Ein Indikatordiagramm ist allgemein gesehen zwar auch ein Druckverlaufsdiagramm, gibt aber speziell den Druckverlauf über den Kolbenweg - also für den Druck- und Saughub - als geschlossene Linie nach Art eines Kreisprozesses an. Es ist damit wesentlich universeller als ein Druck-Zeit-Diagramm, das im Gegensatz dazu zeit- und geschwindigkeitsabhängig ist. Das Indikatordiagramm kann gemäß vorstehendem entweder vor der Installation der Pumpe mit der übrigen Software typspezifisch vorgegeben werden und/oder beim Betrieb jeweils neu und der Situation entsprechend generiert werden. Wesentlich ist dabei, dass der Druckverlauf über den Kolbenweg ermittelt wird und nicht in irgendeiner Weise auf die Zeit eingeht und dass ein Vergleich mit auf idealen SOLL-Werten für ein störungsfreies System, nicht aber mit mangelhaften Betriebszuständen erfolgt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die SOLL-Werte des Drucks zu jedem gemessenen Zeitpunkt aus dem Fahrdiagramm eines die Pumpe antreibenden Motors ermittelt werden. Unter Fahrdiagramm des Motors wird der Verlauf der Umdrehung (Schritte/Winkel/Referenzpunkte) desselben über die Zeit verstanden. Bei einem drehzahl-gesteuerten Motor, der bevorzugt eingesetzt wird, ist dieses Fahrdiagramm durch die Drehzahlsteuerung vorgegeben. Damit ist aufgrund einer starren Ankopplung bzw. Übertragung von der rotatorischen Bewegung des Antriebsmotors zum Kolben bzw. zur Membran mittels eines Getriebes auch die Position dieser Teile stets bekannt und damit auch Bewegungs- bzw. Geschwindigkeitsverlauf des Kolbens gegeben, wobei die Geschwindigkeit unterschiedlich sein kann bzw. wechseln kann. Dabei kann beispielsweise die Drehgeschwindigkeit während des Druckhubes langsamer sein als beim Saughub. Die Zuordnung von Zeit und Position wird dabei vom Motor und Steuerung desselben aufweisenden Antriebssystems durchgeführt.
  • Der Motor ist ein schrittweise umsteuerbarer Motor, wie ein Schrittmotor, elektronisch-kommutierter Motor (EC-Motor) oder dergleichen. Die Bewegung des Motors erfolgt durch-schrittweise - Ansteuerung des Motors, so dass die Steuerung des Motors immer "weiß", wie der Motor und damit der Kolben steht. Ein Sensor zur momentanen jeweiligen Bestimmung der Position des Kolbens über seinen gesamten Weg hin ist nicht nötig und nicht vorgesehen. Das Antriebssystem kann allerdings lediglich zur Synchronisation der Motorsteuerung eine bestimmte Position des Kolbens aufweisenden Synchronisiersensor aufweisen.
  • Während eine äußerst bevorzugte Ausgestaltung vorsieht, dass der Druck in einem Dosierraum der Pumpe gemessen wird, kann auch vorgesehen sein, dass der Druck in einer Zuleitung oder in einer Auslassleitung zum bzw. vom Dosierraum der Pumpe gemessen wird. Hierdurch können einzelne charakteristische Werte bestimmt werden. In bevorzugter Ausgestaltung erfolgen Messungen im Dosierraum und in einer Zuund/oder der Auslassleitung. Hierdurch können eine Vielzahl von Werten zur Bestimmung unterschiedlichster Fehler erfasst werden, teilweise auch redundant.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei einer Veränderung des Druckes, insbesondere im Druckhub und/oder in der Druckleitung die Antriebdrehzahl der Pumpe angepasst wird. Hierdurch ist eine Steuerung der Pumpe im Hinblick auf eine konstante oder gewünschte Fördermenge möglich. Weiterhin sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass bei einer Abweichung des IST-Wertes vom Druck des SOLL-Werts eine Fehlermeldung abgegeben wird.
  • Gemäß bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Druckverlauf zum Ende des Saughubs und/oder zu Beginn des Druckhubs überwacht wird, wobei beim Verharren des IST-Werts des Drucks im Unterdruckbereich in beiden Fällen eine Kavitation vorliegt und gegebenenfalls gemeldet wird.
  • Bei Überwachung des Druckverlaufs in der Kompressionsphase des Druckhubs kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Druckgradient bei einem geringeren IST-Druckgradienten als SOLL-Druckgradienten eine Luft/Gas im Dosierraum anzeigende Meldung ausgegeben wird.
  • Eine andere bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Druckverlauf im Bereich der Tot-Punkte der Pumpe überwacht wird, wobei insbesondere bei schnellerem Druckanstieg zu Beginn des Druckhubes und/oder langsamen Druckabbau zum Beginn des Saughubes eines Leckage in einem im stromab des Dosierkopfes angeordneten Druckventil gemeldet wird. Darüber hinaus wird bei einem frühzeitigen Druckabfall am Ende des Druckhubs und/oder einem Flachdruckaufbau zu Beginn des Druckhubs eine Leckage eines im Zufluss des Dosierkopfes angeordneten Saugventils gemeldet.
  • Wenn der Druck während des Druckhubs überwacht wird, so kann bei dem SOLL-Wert des Drucks im Überwachungsverlauf übersteigenden IST-Werten eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Ein solches Druckverhalten, dass einen unerlaubt hohen Systemdruck anzeigt, kann beispielsweise auftreten, wenn ein druckseitiger Schieber unzulässigerweise geschlossen ist.
  • In weiterer Ausbildung kann vorgesehen sein, dass bei den SOLL-Wert des Drucks unterschreitenden IST-Werten eine Leckage in der Druckleitung anzeigende Leckage-Meldung ausgegeben wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Weiterbildung dadurch gekennzeichnet sein, dass ein drehzahl-geregelter Motor zum Antrieb der Pumpe vorgesehen ist, dessen Winkelposition wiederum zur Bestimmung der SOLL-Werte für den Druck herangezogen werden können.
  • Die Vergleichseinrichtung ist insbesondere in einem Rechner, wie einem PC, Mikrocontroller oder dergleichen ausgebildet und kann insbesondere eine Motorsteuerung für einen Motor der Pumpe ansteuern. In weiterer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Eingabeeinheiten zur Eingabe von Eingabedaten, Volumenstromeinstellungen, Auswertestrategien, maximal zulässiger Druck oder dergleichen sowie Ausgabeeinheiten zur Ausgabe von Ausgangsdaten, wie eben Fehlermeldungen, Druckwerten, Indikatordiagramm oder dergleichen vorgesehen sein. Während in äußerst bevorzugter Ausgestaltung der Drucksensor im Dosierraum angeordnet ist, können weitere Ausgestaltungen vorsehen, dass ein Drucksensor in einer Zuleitung zum Dosierraum und/oder ein Drucksensor in einer Ausgangsleitung vom Dosierraum angeordnet ist.
  • Im Rahmen der Erfindung vergleicht die Vergleichseinrichtung stetig in kritischen Phasen des Druck- und Saughubs den momentanen Druckverlauf (IST-Wert) mit dem eines fehlerfreien Druckverlaufs (SOLL-Wert) und erkennt so je nach Größe der Abweichung, ob der daraus folgende Dosierfehler noch tolerierbar ist oder nicht und gibt gegebenenfalls ein entsprechendes Signal für die gewünschten Konsequenzen. Auf diese Weisen können die zahlreichen in der Praxis vorkommenden Fehlerursachen erkannt und detektiert werden, wie Kavitation, Luftblasen, Leckagen sowie Störungen auf der Druck- und Saugseite. Außerdem können Dosierfehler in Folge von Druckschwankungen auf der Druckseite durch Anpassung der Drehzahl auf einfache Weise ausgeglichen werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    ein schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines von einer Pumpe geförderten Fluids mit einem im Dosierraum angeordneten Drucksensor;
    Fig. 2a - 2f
    weitere Anordnungen von einzelnen oder kombinierten Drucksensoren;
    Fig. 3
    ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korrektur des Volumenstromes;
    Fig. 4
    ein eine Kavitation im Dosierraum anzeigendes Diagramm (durchgezogene Linie) gegen den normalen Druckverlauf (gestrichelte Linie);
    Fig. 5
    den Druckverlauf über den Hub bei Luft oder Gas im Förderraum;
    Fig. 6
    den Druckverlauf bei Leckage im stromabseitigen Druckventil;
    Fig. 7
    den Druckverlauf bei abfließender Leckage im Saugventil und/oder zum Außenraum; und
    Fig. 8
    ein Ablaufdiagramm zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die in der Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Überwachung eines durch eine Pumpe geförderten Fluids weist eine Pumpe 2 mit einem Dosierraum 3 auf. Die Pumpe 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Membranpumpe ausgebildet und weist deswegen eine Membran 4 auf. Die Membran 4 wird von einem Motor 5 über dessen Abtriebswelle angetrieben und bewegt. In einem Einlass 7 zum Dosierraum 3 ist ein Saugventil 8 in einem Auslass 9 vom Dosierraum 3 ein Druckventil angeordnet.
  • Dem Motor 5 ist eine Motorsteuerung 11 zugeordnet, mittels dessen einerseits der Motorbetrieb gesteuert wird und die andererseits bei einem drehzahl-geregelten Motor, wie auch einem Schrittmotor, eine Motorposition an einen Rechner 12 (PC, Mikrocontroller) meldet, wodurch ein Fahrdiagramm des Kolbens mit bekannter Kolbenposition bzw. -geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt gegeben ist, die Steuerung also zu jedem Zeitpunkt "weiß", wo der Kolben sich befindet. Im Dosierraum ist ein Drucksensor 13 angeordnet, der insbesondere als Druck-Spannungs-Wandler ausgebildet ist und dessen Ausgangssignal über eine Leitung 14 ebenfalls dem Rechner 12 zugeführt wird. Der Rechner 12 ist als Vergleichseinrichtung zum Vergleich vom Drucksensor 13 gemessener IST-Werte des Drucks mit aus der Motorposition der Motorsteuerung 11 im Rahmen eines SOLL-Druckes einer Kolbenposition vorhandenen Indikatordiagramms (Fig. 4-7) der Pumpe bestimmter SOLL-Werte des Drucks und zur Bewirkung einer Aktion in dem Falle, dass beide nicht übereinstimmen, ausgebildet. Diese Aktion kann beispielsweise in einer Drehzahlanpassung über die Steuerleitung 15 zur Motorsteuerung 11 bestehen, um so die Motordrehzahl anzupassen. Dem Rechner 12 sind weiterhin Eingabeeinheiten 16 sowie Ausgabeeinheiten 17 zugeordnet. Über die Eingabeeinheiten, wie eine Tastatur, Massenspeicher etc. können Eingabedaten, wie Volumenstromeinstellung, Auswertestrategie, maximal zulässiger Druck oder dergleichen dem Rechner 12 vorgegeben werden. Über die Ausgabeeinheiten, wie Bildschirm, Drucker, Lautsprecher, Sirene, optische Bahnanzeige können Ausgangsdaten, wie Fehlermeldungen, Druckwerte, Indikatordiagramme oder dergleichen ausgegeben werden.
  • Die Fig. 2a bis 2f zeigen weitere Ausgestaltungen der Anordnung von Drucksensoren zur Druckerfassung. So ist bei der Ausgestaltung der Fig. 2a ein Drucksensor 13a in der Saugleitung 18, bei der Ausgestaltung der Fig. 2b ein Drucksensor 13b in der Druckleitung 19 angeordnet und bei den Ausgestaltungen der Fig. 2c bis 2f sind Kombinationen dieser Drucksensoren 13, 13a, 13b vorgesehen.
  • So kann mittels eines Drucksensors 13a auf der Saugseite der verspätete Beginn einer Saugphase einfach und präzise erkannt werden, während mittels eines Drucksensors 13b auf der Druckseite ein vorzeitiger Druckabbau am Ende eines Druckhubes sowie auch ein Nichterreichen des (ausgangsseitigen) Systemdruckes einfach und präzise erkannt werden kann, wobei insbesondere in Kombination mit einem im Dosierraum vorgesehenen Drucksensor 13 die Fehlererkennung verbessert werden kann.
  • Die Fig. 3 zeigt den Abfall des Volumenstromes von Q1 auf Q2 bei konstanter Drehzahl n1 = n2 und Systemdruckerhöhung von p1 nach p2. Dieser Abfall des Volumenstromes wird vom Rechner 12 über die Motorsteuerung 11 durch eine Erhöhung auf die Drehzahl n2* > n1 so kompensiert, dass der Volumenstrom Q2* = Q1 gleichgehalten wird.
  • Die Fig. 4 bis 7 zeigen Indikatordiagramme (Druckverlauf-Diagramme des Drucks über den Hub), wobei die Hub-Position mit Druck 0 die Position maximaler Größe des Dosierraums ist, bei dem die Membran in der Fig. 1 also durch den Motor weitestgehend nach links gezogen ist, während der Hubwert 100 % die weitestgehend rechte Position der Membran und damit weitestgehende Verkleinerung des Dosierraums bezeichnet, an der dann der Saughub einsetzt.
  • Die Fig. 4 zeigt, ebenso wie die Fig. 5 bis 7 gestrichelt den normalen Druckverlauf im Dosierraum ohne Auftreten jeglichen Fehlers, also ein übliches Indikatordiagramm. Mit einer durchgezeichneten kontinuierlichen Linie ist in der Fig. 4 der Druckverlauf bei Auftreten von Kavitation, also der Bildung von Dampfblasen bei niedrigem Druck, während des Saughubs im flüssigen Fördermedium dargestellt. Der Relativdruck beim Saughub ist negativ und liegt unter dem Druck im störungsfreien Fall. Weiter erfolgt der Druckaufbau gegenüber dem normalen Verlauf wesentlich verzögert, bleibt also in der Anfangsphase des Druckhubs geringer als bei normalem Verlauf. Zu Beginn des Druckhubs verharrt also der IST-Wert des Drucks im Unterdruckbereich, so dass derart ein Dosierfehler infolge Kavitation festgestellt werden kann.
  • In der Fig. 5 ist mit durchgezogner Linie der Druckverlauf bei Auftreten von Luft bzw. Gas (ohne Kavitation) dargestellt. Erkennbar ist, dass zwar im Gegensatz zur Kavitation der Druckanstieg sogleich mit Beginn des Druckhubes erfolgt, aber im Anfangsbereich des Druckhubes wesentlich flacher verläuft als bei normalem Verlauf. Das Auftreten von Luft oder Gas kann also insbesondere durch die Bestimmung des IST-Gradienten des Druckverlaufs gegenüber dem SOLL-Gradienten festgestellt werden, wodurch eine Unterscheidung gegenüber einer Kavitation feststellbar ist, da bei dieser der Gradient im wesentlichen der gleiche ist wie bei normalem Druckverlauf.
  • Die Fig. 6 zeigt ebenfalls in durchgezogener Linie den Druckverlauf bei Leckagen im Druckventil, wobei also das Druckventil nicht vollständig schließt, so dass bei Beginn des Saughubs der Druckabfall wesentlich langsamer als bei normalem Verlauf ist, da Flüssigkeit durch das Druckventil zurückfließen kann. Darüber hinaus erfolgt der Druckanstieg zu Beginn des Druckhubes schneller bzw. früher als üblich.
  • Die Fig. 7 zeigt mit durchgehend kontinuierlicher Linie das Diagramm für eine abfließende Leckage im Saugventil und/ oder zum Außenraum. Hier erfolgt durch das Leck nicht nur ein langsamer Druckanstieg, sondern der Druck kann insgesamt niedriger sein als bei Normalverlauf. Darüber hinaus erfolgt ein vorzeitiger Druckabfall am Ende des Druckshubs.
  • Der Ablauf einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit dem Diagramm der Fig. 8 dargestellt. Verharrt der Druck am Ende des Saughubs und zu Beginn des Druckhubs im Unterdruckbereich (Schritte A, B; Fig. 4), so wird überprüft, ob die vorliegende Kavitation noch in einem zulässigen Bereich liegt und/oder der Systemdruck - in der weiteren Druckhub-Phase - dem vorgegebenen Druck entspricht (Schritte C, D). Wenn dies nicht der Fall ist, so wird ein Fehlersignal hinsichtlich eines einer Kavitation und/oder eines Systemdruckes angebenden Fehlhubs angegeben (Schritt E).
  • Wurde keine Kavitation festgestellt, so wird ein Druckventil-Test durchgeführt, also geprüft, ob Druckabfall zu Beginn des Saughubs zu langsam und Druckaufbau zu Beginn des Druckhubs zu schnell erfolgt. Weiterhin erfolgt ebenfalls ein Systemdruck-Test durch Überprüfung der Drücke während des Verlaufs von Druck- und gegebenenfalls Saughub (Schritt F; Fig. 6). Ergeben sich Fehler (Schritt G), so erfolgt ebenfalls eine Fehlermeldung hinsichtlich des fehlerhaften Druckventils (Schritt H). Ergeben sich keine Fehler, so erfolgt im weiteren (Schritt I) eine Überprüfung auf störende Gasblasen im Dosierraum entsprechend der Fig. 5, also dahingehend, ob der Gradient beim Druckaufbau (und beim Druckabfall) wesentlich flacher ist als der bei Normalbetrieb. Ist dies der Fall (Abfrage J) so erfolgt eine entsprechende Fehlermeldung (K).
  • Wenn keine unzulässige Kavitation, weder fehlerhaftes Druckventil, noch Gasblasen sowie ordnungsgemäßer Systemdruck festgestellt wurden, so erfolgt im weiteren (Schritt L) ein Test auf abfließende Leckage im Saugventil und/oder zum Außenraum entsprechend der Fig. 7, also dahingehend, ob der aufgebaute Druck zu gering ist, der Druckabfall schon am Ende der Druckphase eintritt und/oder ein geringerer Druckgradient in der Kompressionsphase auftritt.
  • Ist auch dies in Ordnung (Abfrage M), so sind keine Maßnahmen erforderlich (Block N), andernfalls erfolgt eine Leckage-Meldung (P).
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Pumpe
    3
    Dosierraum
    4
    Membran
    5
    Motor
    6
    Abtriebswelle
    7
    Einlass
    8
    Saugventil
    9
    Auslass
    10
    Druckventil
    11
    Motorsteuerung
    12
    Vergleichseinrichtung
    13, 13a, 13b
    Drucksensor
    14
    Leitung
    15
    Steuerleitung
    16
    Eingabeeinheit
    17
    Ausgabeeinheit
    18
    Saugleitung
    19
    Druckleitung
    20
    Rückmeldung der Motorposition

Claims (28)

  1. Verfahren zur Überwachung eines mittels einer Pumpe geförderten Fluidstromes, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbenpositionen aus den Winkelpositionen eines den Kolben antreibenden Motors bestimmt, dass der Druck des Fluids zumindest in Teilbereichen des Hubs der Pumpe kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich als IST-Werte über die so bestimmte Kolbenposition gemessen und mit SOLL-Werten des Drucks über die Kolbenposition verglichen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die SOLL-Werte des Drucks zu jedem gemessenen Zeitpunkt aus dem Fahrdiagramm eines die Pumpe antreibenden Motors ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor drehzahlgesteuert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in einem Dosierraum der Pumpe gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in einer Saugleitung der Pumpe gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in einer Druckleitung der Pumpe gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung des Gegendruckes die Antriebsdrehzahl der Pumpe angepasst wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung des IST-Wertes vom Druck des SOLL-Werts eine Fehlermeldung abgegeben wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf zum Ende des Saughubs überwacht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verharren des IST-Werts des Druckes im Unterdruckbereich eine Kavitation erkannt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf zu Beginn des Druckhubs überwacht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verharren des IST-Werts des Druckes im Unterdruckbereich ein Kavitations-Fehler gemeldet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgradient bei einem geringeren IST-Druckgradienten als SOLL-Druckgradienten eine Luft/Gas im Dosierraum anzeigende Meldung ausgegeben wird.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf im Bereich der Tot-Punkte der Pumpe überwacht wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei schnellerem Druckanstieg zu Beginn des Druckhubes und/oder langsamen Druckabbau zum Beginn des Saughubes eines Leckage in einem im stromab des Dosierkopfes angeordneten Druckventil gemeldet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem frühzeitigen Druckabfall am Ende des Druckhubes und/oder einer flachen Kompressionslinie (Druckaufbau zu Beginn des Druckhubes) einer abfließender Leckage des im Zufluss des Dosierkopfes angeordneten Saugventil und/oder Leckage zum Außenraum gemeldet wird.
  17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck während des Druckhubes überwacht wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei den den SOLL-Wert des Druckes übersteigenden IST-Werten eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei den SOLL-Wert des Drucks unterschreitenden IST-Werten eine eine Leckage in der Druckleitung anzeigende Leckage-Meldung ausgegeben wird.
  20. Vorrichtung zur Überwachung eines mittels einer Pumpe geförderten Fluidstromes, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Kolbenpositionen aus den Winkelpositionen eine den Kolben antreibenden Motors, durch mindestens einen Drucksensor (13, 13a, 13b) zur kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Messung des Druckes des Fluids über die so bestimmte Kolbenposition der Pumpe (2) zumindest in Teilbereichen des Hubs derselben und durch eine Vergleichseinrichtung (12) zum Vergleich der gemessenen IST-Werte des Drucks mit SOLL-Werten über die Kolbenposition.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen die Pumpe (2) antreibenden drehzahlgeregelten Motor (5).
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (12) in einem Rechner (PC, Mikrocontroller) ausgebildet ist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (12) auch gegebenenfalls zur Ansteuerung einer Motorsteuerung (11) für einen Motor (5) der Pumpe (2) ausgebildet ist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet durch mindestens eine Eingabeeinheit (16) zur Eingabe von ein Eingabedaten.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, gekennzeichnet durch mindestens eine Ausgabeeinheit (17) zur Ausgabe von Ausgangsdaten.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (13) im Dosierraum angeordnet ist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (13c) in einer Saugleitung angeordnet ist.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (13b) in einer Druckleitung angeordnet ist.
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