DE4027027A1

DE4027027A1 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung einer bruchstelle einer membran

Info

Publication number: DE4027027A1
Application number: DE19904027027
Authority: DE
Inventors: Bernd Freissler
Original assignee: Prominent Dosiertechnik GmbH
Current assignee: Prominent Dosiertechnik GmbH
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 1992-03-05
Anticipated expiration: 2010-08-28
Also published as: DE4027027C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Bruchstelle in einer aus mindestens zwei Einzelmembranen bestehenden Membran einer Membran fördereinheit.

Es sind beispielsweise aus DE-OS 26 20 228 Kolbenmembran pumpen bekannt, deren Membran aus mindestens drei aufein anderliegenden Einzelmembranen besteht. Der Zwischenraum zwischen den Einzelmembranen ist mit einer Pufferflüssig keit angefüllt. Die mittlere Membran ist mit Schlitzen versehen, die über eine Bohrung mit einer Anzeigevorrich tung in Verbindung stehen, die einen Membranbruch signa lisiert. Bei einem Membranbruch tritt in den Zwischenraum der Membran zusätzlich Förder- oder Hydraulikflüssigkeit, die auf die Anzeigevorrichtung einwirken. Dabei kommt es zu Vermischungen zwischen Förder- oder Hydraulikflüs sigkeit und Pufferflüssigkeit, was insbesondere bei der Förderung von aggressiven Flüssigkeiten vermieden werden sollte.

Des weiteren wird bei anderen bekannten Membranpumpen eine Druckleitung vom Zwischenraum der Einzelmembrane aus dem Gehäuse nach außen zu einer Anzeigevorrichtung geführt. Diese Druckleitungen sind insbesondere außerhalb der Pumpengehäuse sehr anfällig gegen Abknicken oder Quetschen, wodurch sie im Laufe der Zeit undicht werden.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe Bruchstellen in einer Membran einer Membranfördereinheit auf einfache Weise sicher erkannt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine durch die Bruchstelle in der Membran bedingte Druckerhöhung mit Hilfe einer Druckerfassungseinheit direkt in und/oder an der Membran erfaßt wird.

Die Druckerfassungseinheit ist dabei in die Membran integriert, oder unmittelbar an ihr installiert. Dadurch entfallen zum einen mechanische Übertragungsmittel, wie Pufferflüssigkeiten, die eine durch einen Membran bruch bedingte Druckerhöhung zu einer Druckerfassungein heit übermitteln, zum andern aber auch anfällige Druck leitungen von der Membran zu einer Druckerfassungeinheit für die Übertragungsmittel. Ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Druckerfassungseinheit auch im Gehäuse der Membranfördereinheit integriert, so führt lediglich ein elektrischer Anschluß nach außen. Die Druckerfas sungseinheit ist mechanisch geschützt.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß eine Verformung der Membran in einem vorbestimmten Bereich erfaßt wird. Durch die durch eine Bruchstelle oder allgemein Beschädi gung einer Einzelmembran bedingte Druckerhöhung in der Membran dehnt sich die Membran, so daß dieses Phänomen zur Erkennung von Bruchstellen oder Beschädigungen in der Membran bei der vorliegenden Erfindung herangezogen wird.

Zur Durchführung des Verfahrens mit Hilfe einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, daß zwischen den Einzelmembranen ein druckloser Zustand oder ein Unterdruck herrscht. Beispielsweise herrscht in dem Raum zwischen den beiden Einzelmembranen ein absoluter Druck von 0,3 bar oder ein Unterdruck gegenüber Atmos phäre von 0,7 bar. Bei einer Membranfördereinheit wird ein Hubvolumen einer Hydraulikflüssigkeit an die Förder flüssigkeit weitergegeben. Der Druckhub wird innerhalb der Membran durch die Berührung der Einzelmembrane durch mechanische Kopplung übertragen, während der Saughub durch den Unterdruck zwischen den Einzelmembranen weiter geleitet wird. Dabei ist der Raum zwischen den Einzelmem branen frei von Flüssigkeit. Bei einer Verletzung einer der äußeren Einzelmembrane dringt entweder Hydraulikflüs sigkeit oder Förderflüssigkeit in die Membrane ein, wodurch sich die Druckverhältnisse innerhalb der Membran von Unterdruck zu Förder- oder Arbeitsflüssigkeitsdruck ändern. Es kann sogar zeitweilig Überdruck auftreten. Dieser Druckanstieg wird von einer Druckerfassungseinheit direkt in oder an der Membran erfaßt, bevor die Membran vollständig durchbrochen ist und eine Vermischung von Hydraulikflüssigkeit und Förderflüssigkeit erfolgt ist. Der Druckanstieg kann auch indirekt durch die aus ihm folgende Verformung der Membran ermittelt werden.

Es hat sich bewährt, daß die Membran einen dynamischen und einen über einen Verbindungskanal damit in Verbindung stehenden statischen Bereich aufweist. Der dynamische Bereich der Membran führt entsprechend der Bewegung der Hydraulikflüssigkeit eine oszillierende Bewegung aus, während der statische Bereich dieser Bewegung nicht folgt. Da über den dynamischen Bereich die Förderung einer Flüssigkeit erfolgt, ist dieser Bereich der Ar beitsbereich der Membran. Die Trennung in die beiden Bereiche erleichtert die Fehlererfassung, da jede Zu standsänderung im statischen Bereich ungewollt ist und auf einen Fehler hinweist.

Es hat sich als günstig erwiesen, daß in dem statischen Bereich die Druckerfassungseinheit angeordnet ist. Auf diese Weise bildet der dynamische Bereich ein geschlos senes System. In dem statischen Bereich ist ein Meß- bzw. Signalbereich vorgesehen, in dem die Druckerfas sungseinheit angeordnet ist. Die Aufteilung der Membran in einen dynamischen und einen statischen Bereich sowie die Anordnung der Druckerfassungseinheit im statischen Bereich hat den Vorteil, daß die Druckerfassungseinheit und deren Verbindung vom Innenraum des Gehäuses nach außen keinen dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, die die Lebensdauer der Druckerfassungseinheit beein trächtigen könnten. Des weiteren sind in dem statischen Bereich Messungen sicherer und schneller durchzuführen.

Besonders bewährt hat es sich, daß die äußeren Einzelmem brane aus einem Trägermaterial bestehen, die gegebenen falls flüssigkeitsseitig mit einer PTFE-Folie verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung wird die Stabilität der äußeren Einzelmembrane erhöht. Als Trägermaterial eignet sich beispielsweise Neopren, mit dem insbesondere auf der Außenseite, die der Förderflüssigkeit zugewandt ist, eine PTFE-Folie verklebt oder aufvulkanisiert ist.

Des weiteren ist von großem Vorteil, daß zwischen den äußeren Einzelmembranen mindestens eine weitere Einzel membran, vorzugsweise aus PTFE, angeordnet ist. Diese mittlere Einzelmembran trennt die äußeren Einzelmembranen und ist mit keiner der äußeren Einzelmembrane verbunden. Sie liegt lose dazwischen und verhindert auf diese Weise, daß die Trägermaterialschichten der äußeren Einzelmem brane aneinander haften oder gar miteinander verkleben, so daß im Falle eines Membranbruchs eine Druckerhöhung im Innenraum der Membran ungehindert und unmittelbar wirksam werden und die Druckerfassungseinheit beaufschla gen kann.

Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Membran an ihrer Peripherie einen Einspannbereich auf weist, in dem die Einzelmembrane vulkanisiert oder mit einander verklebt sind. An diesem Einspannbereich ist die Membran zwischen einem Pumpendeckel und einem Pumpen gehäuse einer Membranpumpe fest eingespannt. Durch die Vulkanisierung oder Verklebung der Einzelmembrane in dem Einspannbereich wird erreicht, daß die Membran in diesem Bereich dicht ist. Bei der Fertigung wird in dem Innenraum der Membran ein Vakuum gezogen und an schließend die Vulkanisierung bzw. Verklebung durchge führt. Durch den Einspannbereich führt ein Kanal, der den Raum zwischen den Einzelmembranen im dynamischen und im statischen Bereich miteinander verbindet.

Zum vollständigen und hermetischen Abschluß der Membran zur Atmosphäre hin ist es auch notwendig, daß die Einzel membrane am äußeren Rand des statischen Bereichs vulkani siert oder miteinander verklebt sind. Ein Unterdruck oder ein druckloser Zustand zwischen den Einzelmembranen ist eine grundsätzliche Voraussetzung für das sichere Funktionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung einer Bruchstelle in der Membran.

Zur Erkennung der Druckveränderung in der Membran hat es sich beispielsweise bewährt, daß die Druckerfassungs einheit als Kontaktschalter ausgebildet ist. Je nach Ausführungsform dieses Schalters schließt oder öffnet sich bei einer Druckerhöhung ein elektrischer Kontakt, wodurch eine Auswertungseinheit ein Signal erzeugt, das nach außen übermittelt wird.

Mit Vorteil ist der Kontaktschalter durch Plättchen aus elektrisch leitendem Material gebildet, die in den äußeren Einzelmembranen angeordnet sind und, gegebenen falls durch eine Durchbrechung in der inneren Einzelmem bran, miteinander in Berührung stehen. Bei einem Druckan stieg in dem Raum zwischen den Einzelmembranen werden sich die Einzelmembrane geringfügig voneinander entfernen und den Kontakt zwischen den beiden Plättchen unterbre chen. Die dadurch bewirkte Unterbrechung eines Strom flusses kann unmittelbar als Membranbruch-Erkennungssig nal verwendet werden.

Des weiteren ist es aber auch möglich, daß die Drucker fassungseinheit als Drucksensor ausgebildet ist. Der Drucksensor mißt direkt den absoluten Druck oder eine Druckveränderung im Innenraum der Membran. Die Meßwerte gelangen über eine Auswertungseinheit nach außen.

Es ist bevorzugt, daß der Drucksensor im Raum zwischen den beiden Einzelmembranen oder in einer Kammer, in die der Raum mündet, angeordnet ist. Der Drucksensor benötigt also keine Druckmeßleitung, da er sich direkt an dem Ort befindet, an dem die Druckänderung zu erwarten ist.

Als weitere, indirekte Möglichkeit zur Erkennung der Druckänderung infolge eines Membranbruchs ist es möglich, daß die Druckerfassungseinheit als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet ist. Bei dieser Meßmethode wird die Drucker höhung über die Dehnung der Membranoberfläche erfaßt.

Alle genannten technischen Möglichkeiten zur Erkennung einer Druckerhöhung in oder an der Membran werden im statischen Bereich der Membran ohne direkten Kontakt mit der Hydraulikflüssigkeit oder der Förderflüssigkeit durchgeführt. Das Signal "Membran gebrochen" wird ausge wertet und die Anlage außer Betrieb gesetzt, bis die Störung beseitigt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Mehrschichtmembran in der Draufsicht,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Mehrschichtmembran gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A,

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht der Mehrschicht membran aus Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere vergrößerte Teilansicht der Mehr schichtmembran aus Fig. 2,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus der Mehrschichtmembran mit einem Kontaktschalter,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie D-D in Fig. 5,

Fig. 7 einen weiteren Ausschnitt aus der Mehrschicht membran mit einem alternativen Kontaktschalter,

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie F-F in Fig. 7,

Fig. 9 einen weiteren Ausschnitt aus der Mehrschicht membran mit einem Drucksensor,

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie G-G in Fig. 9,

Fig. 11 einen weiteren Ausschnitt aus einer Mehrschicht membran mit einem alternativen Drucksensor,

Fig. 12 einen Schnitt entlang der Linie H-H in Fig. 11,

Fig. 13 einen Ausschnitt aus einer Mehrschichtmembran mit einem Dehnungsmeßstreifen,

Fig. 14 einen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 13.

Fig. 1 bis 4 zeigen eine Mehrschichtmembran 1, die einen Förderraum X von einem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Hydraulikraum Y einer nicht näher dargestellten Membran förderpumpe trennt. Die Membran 1 weist einen Einspannbe reich 2, einen dynamischen Bereich 3 und einen statischen Bereich 4 auf. Am Einspannbereich 2 wird die Membran 1, beispielsweise zwischen einem Gehäuse 7 und einem Pumpen deckel 8 der nicht näher dargestellten Membranförderpumpe eingespannt (vgl. Fig. 2). Der dynamische Bereich 3 entspricht dem Arbeitsbereich der Membran 1, der oszil lierende Bewegungen entsprechend einer Kolbenbewegung der Membranförderpumpe ausführt. Die maximale Bewegung der Membran 1 ist in Fig. 2 als strich-punktierte Linie dargestellt. Ein Verbindungskanal 5 verbindet den dyna mischen Bereich 3 mit dem statischen Bereich 4, in dem ein Meß-Signalbereich 6 angeordnet ist. Die Membran 1 erstreckt sich über einen Verbindungskanal 5 in den statischen Bereich 4.

Fig. 3 und 4 zeigen jeweils vergrößerte Teilansichten der Membran 1 von Fig. 2. Der Übersichtlichkeit wegen wurde auf die Darstellung des Gehäuses 7 und des Pumpen deckels 8 im Einspannbereich 2 verzichtet. Die in der Zeichnung dargestellte Membran 1 ist aus drei Einzelmem branen 9, 10, 11 aufgebaut. Die Einzelmembran 9 besteht aus einer PTFE-Schicht 12, die mit einem Trägermaterial 13, beispielsweise Neopren, verbunden ist. Die PTFE- Schicht 12 ist auf der Außenseite der Einzelmembran 9 angeordnet, die mit der Förderflüssigkeit in Kontakt kommt. Sie erstreckt sich bis in den unteren Einspannbe reich 2. Die Einzelmembran 10 ist eine PTFE-Schicht, mit einer Stärke von ca. 0,12 mm. Die Einzelmembran 11 besteht aus einem Trägermaterial, beispielsweise Neopren. Die Einzelmembran 10 verhindert, daß die zwei Einzelmembrane 9, 11 miteinander Verkleben. Im Einspann bereich 2, sowie am äußeren Rand des statischen Bereichs 4 sind die Einzelmembrane 9, 10, 11 miteinander verklebt oder vulkanisiert, wie dies in Fig. 3 mit einer Wellen linie angedeutet ist.

Fig. 5 und 6 zeigen schematisch eine erste Variante eines Kontaktschalters 14, der einen Membranbruch erkennt und eine dadurch hervorgerufene Druckerhöhung einer Auswertungseinheit 15 übermittelt, die ein Signal S nach außen weitergibt. Der Kontaktschalter 14 besteht im wesentlichen aus zwei Metallplättchen, die beidseitig der Membran angeordnet sind und über eine Durchbrechung der Membran 1 miteinander in Kontakt stehen. Die Metall plättchen können in die Einzelmembrane 9, 11 eingeklebt oder einvulkanisiert sein. Ihre Befestigung in den Ein zelmembranen 9, 11 darf die Druckdichtigkeit des Raumes zwischen den Einzelmembranen 9, 11 nicht beeinflussen. Bei einem Membranbruch wird infolge einer Membrandehnung der Kontakt unterbrochen. Ein Signal S "Membran gebro chen" wird nach außen übermittelt.

Der in Fig. 7 und 8 dargestellte Kontaktschalter 16 erfaßt die Dehnung der Membranoberfläche infolge eines Membranbruchs. Hier wird beispielsweise beim Membranbruch ein Kontakt geschlossen. Die bei einem Membranbruch in dem Raum zwischen den Einzelmembranen 9, 11 erfolgende Druckerhöhung bewegt die Einzelmembran 9 gegen einen Kontakt des Druckschalters 16, der nach einem vorbestimm ten Weg schaltet, also eine elektrische Verbindung her stellt.

Fig. 9 und 10 zeigen schematisch eine erste Variante eines Drucksensors 17, der in dem Meß- und Signalbereich 6 geklemmt ist. Mit diesem Drucksensor 17 ist die Membran 1 von einer Kammer 18 umgeben, in die der Raum zwischen den Einzelmembranen 9, 11 mündet und in der der gleiche Druck wie zwischen den Einzelmembranen 9, 11 herrscht. Nach außen ist die Kammer 18 mit Hilfe einer Dichtung 19 abgedichtet. Der Drucksensor 17 erfaßt direkt eine Druckänderung infolge eines Membranbruchs und signali siert dies über eine Auswertungseinheit 15 nach außen.

Fig. 11 und 12 zeigen eine zweite Variante eines Druck sensors 20. In dieser Ausführungsform ist der Drucksensor 20 in die Membran 1 einvulkanisiert. Er mißt den Druck direkt in dem Raum 21 zwischen den Einzelmembranen 9, 11.

In Fig. 13 und 14 ist ein Dehnungsmeßstreifen 22 schema tisch dargestellt. Hier wird der Druck über die Dehnung der Membran 1 erfaßt und angezeigt. Bei innerer Drucker höhung dehnt sich die Membran 1, sowohl im dynamischen 3 als auch im statischen 2 Bereich aus.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung einer Bruchstelle in einer aus mindestens zwei Einzelmembranen bestehenden Mem bran einer Membranfördereinheit, dadurch gekennzeich net, daß eine durch die Bruchstelle in der Membran (1) bedingte Druckerhöhung mit Hilfe einer Druckerfas sungseinheit (14, 16, 17, 20, 22) direkt in und/oder an der Membran (1) erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verformung der Membran (1) in einem vorbe stimmten Bereich erfaßt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einzelmembranen (9, 11) ein druck loser Zustand oder ein Unterdruck herrscht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) einen dynamischen (3) und einen über einen Verbindungskanal (5) damit in Verbindung stehenden statischen Bereich (4) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem statischen Bereich (4) die Druckerfas sungseinheit (14, 16, 17, 20, 22) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Einzelmembrane (9, 11) aus einem Trägermaterial (13) bestehen, die gegebenenfalls flüssigkeitsseitig mit einer PTFE-Fo lie (12) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den äußeren Einzelmem branen (9, 11) mindestens eine weitere Einzelmembran (10), vorzugsweise aus PTFE, angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) an ihrer Peri pherie einen Einspannbereich (2) aufweist, in dem die Einzelmembrane (9, 10, 11) vulkanisiert oder miteinander verklebt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmembrane (9, 10, 11) am äußeren Rand des statischen Bereich vulkanisiert oder miteinander verklebt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerfassungeinheit als Kontaktschalter (14, 16) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktschalter (14) durch zwei in den äuße ren Einzelmembranen (9, 11) angeordnete Plättchen aus elektrisch leitendem Material gebildet sind, die miteinander in Berührung stehen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerfassungseinheit als Drucksensor (17, 20) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (17, 20) im Raum (21) zwischen den beiden Einzelmembranen (9, 11) oder in einer Kammer (18), in die der Raum mündet, angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerfassungseinheit als Dehnungsmeßstreifen (22) ausgebildet ist, der eine Verformung der Oberfläche der Membran ermittelt.