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.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erfassung von Pumpenbetriebsparametern einer Membranfördereinheit.
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.
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 . Fernern 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.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt:
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 Elastomerleiterschlinge 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.