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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kavitationsnachweis an hydraulischen Systemen und Geräten.
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Der Nachweis von Kavitation an hydraulischen Systemen, bspw. Pumpen, erfolgt in der Regel durch Messung der Leistungsparameter bspw. 3% Kriterium in einem Pumpenprüfstand unter definierten Betriebsbedingungen und bei idealen Medieneigenschaften. Diese Messungen sind sehr aufwendig und können im praktischen Einsatz nicht realisiert werden.
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Weiterhin ist es möglich, durch die elektrische Leistungsaufnahme einer Pumpe Rückschlüsse auf die Pumpenleistung und somit indirekt auch auf das Vorhandensein von Kavitation im System zu schließen.
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Ein derartiges Verfahren ist jedoch nur für elektrisch betriebene Systeme geeignet, nicht jedoch für den Kavitationsnachweis an Verteilern, Schiebern oder anderen hydraulischen Einrichtungen.
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Nachfolgend soll beispielhaft auf den bekannten Stand der Technik näher eingegangen werden, der sich mit dem Erkennen, Messen, Auswerten der Kavitation beschäftigt und bei dem die Auswertung von emittierten und reflektierten Ultraschallwellen Rückschlüsse auf die Einstellung von elektrischen Stellgrößen an z. B. Flüssigkeitsfördereinrichtungen, wie Pumpen erlauben, damit Kavitation vermieden wird.
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So wird gemäß
DE 19 02 868 A1 ein Verfahren zur Messung von Kavitation vorgeschlagen, wobei hier eine Analyse von Flüssigkeitskavitation stattfindet. Durch die Anwendung von Impulsgrößenanalyse- und Zähltechniken wird in dem Verfahren die Intensität von Kavitation in einem Flüssigkeitssystem bestimmt. Mittels eines Umwandlers werden Kavitationsimpulse „gefühlt”, ihre Impulshöhe analysiert und verstärkt sowie in einer Zähleinrichtung quantifiziert. Letztere erfasst bzw. bewertet die Kavitationsfolgehäufigkeit.
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Nach
DE 602 06 711 T2 ist ein System und ein Verfahren zur Erkennung und Diagnostik der Kavitation an einer Pumpe bekannt. Es umfasst zur Überwachung der Kavitation im wesentlichen ein Messsystem, das Pumpenstrom- und Druckdaten misst, und ein Erfassungssystem, das Pumpen-Kavitation entsprechend den Pumpenstrom- und Druckdaten erfasst, wobei das Erfassungssystem ein Klassifizierungssystem, und dass das Klassifizierungssystem ein neuronales Netz umfasst, das trainiert wird und so ein sich änderndes Signal erzeugt, das das Vorhandsein und das Ausmaß von Kavitation in dem Pumpensystem anzeigt.
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Das mit dem genannten System realisierbare Verfahren umfasst das Bereitstellen der Strom- und Druckdaten als Eingänge in ein Klassifizierungssystem, das ein neuronales Netz umfasst, wobei das neuronale Netz ein Signal erzeugt, das das Vorhandensein und das Ausmaß von Kavitation in dem Pumpensystem anzeigt, und das trainiert werden kann, um so das Signal während der Funktion des Pumpensystems anzupassen.
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In
DE 10 2008 002 439 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Kavitation in einem Kühlmittelkreislauf genannt, der sich in einem Kühlsystem eines Fahrzeugs mit einer hydrodynamischen Strömungsmaschine befindet. Dabei werden z. B. als Parameter sich ändernde/physikalische Zustände im System, elektrische Signale mittels eines Ultraschallsensors überwacht und signalisiert, wobei Laufzeitänderungen der Schallsignale im Kühlmittel auf Dampfblasen schließen lassen, die beispielsweise die Bremsleistung einer hydrodynamischen Strömungsbremse stark negativ beeinflussen.
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In den vorgenannten Lösungen unter anderem ist auch die Möglichkeit genannt, optische Sensoren möglichst nahe an einem vermuteten Entstehungsort zu positionieren.
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Mit
DD 28 08 11 A1 wird ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung und Vermeidung von Kavitation aufgezeigt, die in Strömungsmaschinen, deren Bauteilen und deren Anlagen auftreten kann.
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Das Erkennen von Kavitation, ihrer Auswertung und Rückkopplung auf entsprechend neu einzustellender elektronischer Stellgrößen für den Betrieb einer Strömungsmaschine erfolgt über einen Schallwellenleiter, eingebaut an einer oder an mehreren signifikanten Stellen der Strömungsmaschine und/oder deren Anlage, wobei eine Messgröße, die die Impulsrate ist, bis zu einem vorgegebenen Schwellwert ermittelt und elektronisch registriert wird, in deren weiterer Folge auf Stellgrößen eingewirkt, und durch deren Regelung Kavitation vermieden wird.
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Nach
EP 0 742 372 A1 ist ein Überwachungssystem zur Feststellung einer Kavitationsintensität bekannt. Hier sind durch zusätzliche Erzeugung eines Referenzsignales innerhalb eines Gerätes und dessen Empfang durch mindestens einen Sensor, der auch gleichzeitig Kavitationssignale aufnehmen kann, Veränderungen im Übertragungsverhalten des Referenzsignales mit Hilfe einer Auswerteelektronik erkennbar. Die Veränderung im Übertragungsverhalten des Referenzsignales beeinflusst in gleicher Weise ein empfangenes Kavitationssignal und lässt somit Rückschlüsse über die Kavitation am Entstehungsort zu.
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Gemäß
US 5,235,524 A wird ein auf Ultraschall basierendes Detektionssystem zur Feststellung von Kavitation in Hohlräumen rotierender Maschinen, wie Pumpen, Wasserturbinen und in Rohrleitungen beschrieben. Das System umfasst einen Ultraschall-Sendewandler zur Ultraschalleinkopplung und mehrere Ultraschall-Empfangswandler, die an der Außenwand einer zu prüfenden Anlage angebracht sind. Eine mit dem Ultraschall-Empfangswandlern verbundene Datenverarbeitungsanlage unterscheidet dabei zwischen störenden Nebengeräuschen und tatsächlicher Kavitation.
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Mit
US 4,730,493 A werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen mit deren Hilfe mittels Ultraschall Gasblasen in flüssigem Metall nachgewiesen werden sollen. Schallauslösende und schallaufnehmende Mittel befinden sich an der Außenwandung eines Behälters, wobei sie mit einer verfahrensüberwachenden Einrichtung verbunden sind. Es wird die sich abschwächende Ultraschallübertragungsrate bei Vorhandensein von Gasblasen im flüssigen Metall registriert.
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Nach Schilderung des wie vorgenannten Standes der Technik ist erkennbar, dass Kavitation auf vielfältige Art und Weise, vor allem am Entstehungsort oder in seiner unmittelbaren Nähe festgestellt wird und mittels Übertragung insbesondere akustischer Messwerte in elektrische Stellgrößen Betriebsbedingungen an Pumpen oder Fluid durchströmenden Systemen wieder derart hergestellt werden müssen, dass Kavitation wieder unterdrückt wird.
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Nicht berücksichtigt wird jedoch die Tatsache, dass kavitationsbedingte Dampfblasen fernab ihres Entstehungsortes, in entsprechend verminderter Anzahl, noch vorhanden sein können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis einer verschleppten Kavitation in hydraulischen Systemen und Geräten mittels eines auf Ultraschall basierenden Sensorsystems mit einem hierdurch realisierbaren Signalalgorithmus vorzuschlagen, das an dem jeweiligen hydraulischen System bzw. Gerät angebracht ist, und welches bei einer kavitationsbedingten Änderung der Schalleigenschaften eines Fluids ein Schalt- bzw. Messsignal erzeugt, damit kavitationsbedingende Betriebszustände in kurzer Zeit beendet werden, wenn daraus ableitbare Parameter als Regelgrößen zur Herstellung eines entsprechenden Druckes, einer entsprechenden Temperatur sowie Fördergeschwindigkeit des jeweiligen Fluids gewonnen werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe findet sich im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 2.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind weitere Hinweise erforderlich.
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Das Verfahren zur Registrierung von Kavitation, die von ihrem Entstehungsort z. B. in ein Gefäß oder in eine Rohrleitung verschleppt werden kann wird durchgeführt, indem ein Ultraschallsignale aussendender und ihr Echo empfangender Sensor auf der Ausgangsseite einer Pumpe oder eines Schieber/eines Ventils an eine nachfolgende Rohrleitung von außen befestigt wird und nach erfolgter Parametrierung an die vorliegenden Messbedingungen (Berücksichtigung der Rohrwandstärke, des Rohrdurchmessers, der Beschaffenheit des Mediums, wie z. B. Dichte) Ultraschallsignale nach dem Impulsechoverfahren aussendet und gemäß der ermittelbaren Amplitudenwerte und einer damit verbundenen Signalform eine Auswertung möglich macht dergestalt, dass bei Abweichungen von einem kalibrierten Grundpegel und einer daraus ableitbaren Grundform auf einsetzende und/oder fortgesetzt sich verstärkende Kavitation geschlossen wird. Die Abweichung der bei vorliegender Kavitation ermittelten Amplitudenwerte über eine bestimmte Messzeit von dem ohne Kavitation bekannten parametrierten Grundpegel und der Grundform wird sodann vom Sensor, der in seiner weiterführenden Funktion als Schwellwertschalter genutzt wird, erfasst und signalisiert optisch und/oder durch ein elektrisches Signal Kavitation. Die Kavitation ist dabei als Maß einer proportionalen Größe zwischen der Häufigkeit der in dem flüssigen Medium enthaltenden Dampfblasen und dem Förderverlust beispielsweise einer tätigen Radialkolben- oder Kreiselpumpe im Förderkreislauf zu verstehen.
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Das an eine, hier nicht weiter ausgeführte, elektronische Regelungseinheit der vorgenannten Pumpe übermittelte Signal, welches die Überschreitung eines Schwellwertes für Kavitation anzeigt, dient schließlich dazu, die Drehzahl/die nicht mehr der Drehzahl entsprechende Förderleistung der Pumpe auf einem Wert der Pumpenkennlinie zurückzuführen, bei dem die festgestellte Kavitation unterbleibt oder zumindest bis zu einem Wert eines Förderverlustes/eines Absinkens der Förderhöhe einer Pumpe (Festlegung des jeweiligen Pumpenherstellers bzw. Betreibers) gedrosselt wird, bei dem ein noch zerstörungsfreier Betrieb der Pumpe bzw. keine mechanischen Beeinträchtigungen durch Kavitation an bewegbaren Elementen von Ventilen, Schiebern oder anderen Flüssigkeit durchströmten Gefäßen möglich sind. Verluste an Förderhöhe bzw. am Volumen der Fördermenge werden in der Praxis, in Abhängigkeit von der Dimension einer Pumpe, bis zu einem Wert von ca. 3% hingenommen.
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Vorrichtungsgemäß befindet sich ein nach dem Impulsechoverfahren arbeitender Sensor mittels einer Befestigung außen an der Wandung eines Gefäßes oder, im speziellen Falle, an der Außenwandung eines Rohres in fester Lage, wobei zwischen seiner Kontaktfläche und der Außenwandung ein Koppelmittel für eine störungsfreie Einkopplung des Ultraschalls über die Außenwandung in das geförderte, flüssige Medium gegeben ist.
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Der Sensor kann, wenn erforderlich, in einer mehrere Meter zum Entstehungsort möglicher Kavitation betragende Entfernung positioniert werden und er ist, entsprechend vorliegender Ausgangsbedingungen am Ort der Messung, parametrierbar.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines zweckmäßigen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Dazu soll auf 1 und 2 zurückgegriffen werden.
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1 zeigt: Schematische Darstellung der Messanordnung mit und ohne Kavitationsnachweis
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2 zeigt: Ultraschallmessung im Vergleich zwischen Grundpegel/Grundform und deren Veränderung bei auftretender Kavitation
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Die in den Figuren, insbesondere 1, verwendeten Bezugszeichen bedeuten:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpe
- 2
- Sensor
- 3
- akustische/optische Signaleinrichtung
- 4
- Kavitationsdampfblasen
- 5
- Rohr
- 6
- Medium
- 7
- Amplitudenwerte mit „normaler” Grundform
- 8
- Amplitudenwerte bei Kavitation
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Laut 1 sorgt eine Pumpe 1 in bekannter Art für die Förderung eines flüssigen Mediums 6 in die angegebene Fließrichtung. Wird sie außerhalb ihrer Pumpenkennlinie betrieben, erzeugt sie im Pumpengehäuse Kavitation, wobei sich Kavitationsdampfblasen 4 in den Förderstrom auf der Druckseite der Pumpe 1 mischen, die bis weit hinter ihrem Entstehungsort durch die Druckleitung, dem Rohr 5, verschleppt werden. Verfahrensgemäß werden die im Förderstrom des flüssigen Mediums 6 befindlichen Kavitationsdampfblasen 4 durch den Sensor 2 mittels des bekannten Impulsechoverfahrens detektiert, wobei der Sensor 2 – als Schwellwertschalter fungierend – Abweichungen der als Echo wieder empfangenen Sendeimpulse von einer für vorliegende Messbedingungen definierten Grundform und einem Grundpegel der Ultraschallimpulse erkennt und den Beginn einsetzender oder fortgesetzt sich verstärkender Kavitation signalisiert. Die Signalisierung wird durch eine Signaleinrichtung 3 durchgeführt, die auf optischem und/oder elektrischem Wege funktioniert.
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Die Detektion der Kavitationsdampfblasen 4 erfolgt beispielsweise in einem Bereich < 1% bis 3% Verringerung der Förderhöhe der Pumpe 1.
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Nach 2 ist erkennbar, dass bei vorliegender Kavitation die Amplitudenwerte 8 des empfangenen Echos unter die Spitzen der Amplitudenwerte mit „normaler” Grundform 7 (Kavitation liegt nicht vor) zurückfallen bzw. abweichen und sich auch ihre Signalform ändert Bei diesem Zustand ist verfahrensgemäß in einem zweiten Schritt angezeigt, dass die Signalauswertung des Sensors 2 dazu genutzt wird, regelungstechnisch z. B. auf die Drehzahl der Pumpe einzuwirken, d. h. die Drehzahl zu vermindern, bis der Zustand einer Förderung des Mediums 6 ohne Kavitation vorliegt.
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Die vorrichtungsgemäße Anordnung des Sensors 2 befindet sich auf dem Rohr 5 für den abfließenden Förderstrom des Mediums 6. Seine Entfernung von der ggf. kavitationserzeugenden Pumpe 1 kann dabei bis zu mehrere Meter betragen. Der Sensor 2 verfügt über eine optische/elektrische Signaleinrichtung 3, die den Beginn oder eine fortgesetzte sich verstärkende Kavitation anzeigt. Bei Vorliegen eines Kavitationszustandes des Sensor 2 kann beispielsweise regelungstechnisch Drehzahl regelnd auf die Pumpe 1 eingewirkt werden.
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Die Vorteile der Erfindung werden darin gesehen:
- – Erkennen von Kavitation (verschleppter) im abfließenden Förderstrom,
- – Vermeidung von konventionell nicht erkennbarem Förderverlust von Pumpen durch z. B. kavitationsbedingt nachlassende Pumpenleistung,
- – Verminderung der Beschädigung mechanisch bewegter Elemente an Pumpen, an Schiebern, Ventilen etc.
