Integriertes fehlertolerantes Sensorsystem zur Zustandsüberwachung von rotodynamischen Pumpen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während des Projektes wurde erfolgreich eine rotodynamische Kreiselpumpe mit einem integrierten Sensorsystem ausgestattet, so dass deren Betriebs- und Störungszustand bestimmt werden kann. Hierzu zählt die Ermittlung der prozessrelevanten Größen wie Zulaufdruck, Förderhöhe, elektrische und hydraulische Leistung und der Wirkungsgrad der Pumpe. Zunächst wurden in Messreihen die örtlich Druckverteilung in der Kreiselpumpe bestimmt, um hieraus Verfahren abzuleiten, die es ermöglichen, mit diesem Wissen Pumpenzustandsgrößen, wie Volumenstrom, Drehzahl und Kavitation, direkt und reproduzierbar aus den Drucksignalen abzuleiten. Dieses Vorgehen ermöglicht es, die für diese Größen erforderlichen zusätzlichen Sensoren einzusparen. Das Wissen über die hydraulischen Vorgänge in der Kreiselpumpe bei unterschiedlichen Betriebspunkten sind als Kennfelder bzw. als Algorithmen in der Auswerteeinheit hinterlegt. Ferner verfügt das Sensorsystem über eine Selbstüberwachung, um z.B. den Ausfall eines Sensors zu erkennen und um zu vermeiden, dass dessen „falsche" Messwerte zur Bestimmung von Betriebs- und Prozessgrößen herangezogen werden. Als geeigneter Ansatz für die Selbstüberwachung dient eine Plausibilitätsprüfung der Sensorsignale mittels Prozesswissen, indem überdies, in der Auswerteeinheit hinterlegten Beziehungen auf die gleiche Größe geschlossen wird. Dieses detaillierte Wissen erfordert umfangreiche Messreihen, um die anfängliche getroffenen Annahmen in validiertes Wissen überführen zu können. Des Weiteren ist der Nachweiß zu führen, dass die entwickelten Verfahren bei unterschiedlichen Betriebspunkten die geforderte Zuverlässigkeit erreichen. Das endgültige Sensorsystem beschränkt sich auf die Erfassung folgender physikalischer Größen: • elektrischer Strom und Spannung am Motor • Temperatur am Zulauf der Kreiselpumpe • Drücke an Zu- und Ablauf des Fluids sowie an zwei Stellen im Pumpengehäuse Aus ihnen lassen folgende Größen durch Berechnung ableiten: • Drehzahl n [min^-1] • Volumenstrom qv [m3/h] • Drehmoment M [Nm] • Förderhöhe h [m] • Hydraulische Leistung Phyd [W] • Elektrische Leistung Pel [W] • Gesamtwirkungsgrad η Die Selbstüberwachung erfolgt, indem über zwei verschiedene Druckdifferenzen der Volumenstrom bestimmt wird. Überschreitet die Differenz zwischen den Volumenströmen eine zuvor definierte Grenze, so werden weitere Druckdifferenzen zur Volumenstrombestimmung herangezogen. Aus Kreuzvergleichen kann bestimmt werden, welcher Sensor in seiner Funktion gestört ist. Die Größen werden auf einem Alternativweg analytisch aus den verbleibenden Sensorsignalen bestimmt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Flow Rate Detection by Means of Pressure Difference Measurement in Rotary Pumps. In: Conference proceedings: 12th International Conference on Sensors, Technologies, Electronics and Applications, 26 - 28 May 2007, Nürnberg, Germany, 2007
Werner, R.; Werthschützky, R.
- Pressure Transducers as a Rotational Speed Detector for Rotodynamic Pumps. In: Conference proceedings: Eurosensors XXII, 7. -10 September 2008, Dresden, Germany, 2008
Werner, R.; Ayllón-Clemente, I.; Werthschützky, R.
- Flow Rate Detection as an Example for Analytic Redundancy. In: Conference proceedings: 9-th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMTII-2009), 29 June - 2 July 2009, Saint-Petersburg, Russia. 2009
Werner, R.; Werthschützky, R.
- Intensity determination of cavitation at rotating pumps by means of integrated miniaturised pressure transducers. In: Conference proceedings: 14th International Conference on Sensors, Technologies, Electronics and Applications, 26 - 28 May 2009, Nürnberg, Germany, 2009
Werner, R.; Werthschützky, R.
- Sensor Self-Monitoring and Fault-Tolerance. In: Conference proceedings: 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMII-2009), 29 June - 2 July 2009, Saint-Petersburg, Russia, 2009
Werthschützky, R.; Werner, R.
