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Störungstolerantes Sensorsystem zur Zustandsüberwachung rotodynamischer Pumpen

Werner, Reinhard:
Störungstolerantes Sensorsystem zur Zustandsüberwachung rotodynamischer Pumpen.
TU Darmstadt , Darmstadt .
[Book], (2012)

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Item Type: Book
Title: Störungstolerantes Sensorsystem zur Zustandsüberwachung rotodynamischer Pumpen
Language: German
Abstract:

Gegenstand dieser Arbeit ist der Entwurf und die Realisierung eines störungstoleranten, sich selbstüberwachenden Sensorsystems zur Zustandsüberwachung von Kreiselpumpen. Zur Analyse des Zustands der Kreiselpumpe gehören die Bestimmung von Prozessgrößen und die Detektion von auftretenden Störungen, Schäden und ihr Ausfall. Für den Entwurf und die Realisierung des Sensorsystems werden im Rahmen der Arbeit folgende fachliche Fragestellungen intensiv untersucht:

Welche Mess- und Kenngrößen beschreiben exakt den Pumpenzustand? Welche Messverfahren eignen sich zur Bestimmung der Messgrößen und welche Sensorprinzipien sind am geeignetsten? Wo liegen die Messstellen mit der höchsten Auflösung und der geringsten Messunsicherheit? Wie lässt sich die Zahl der Messstellen durch den Einsatz geeigneter Sensoren und Messstellenwahl reduzieren? Wie und in welcher Form ist die Signalverarbeitung aufzubauen? Welche Algorithmen sind zur Berechnung der Kenngrößen am geeignetsten? Wie lassen sich die Algorithmen in der Signalverarbeitung in Echtzeit umsetzen? Welche Verfahren und Methoden sind zur Sicherung von Störungstoleranz von Sensoren für diese Aufgabenstellung besonders gut geeignet?

Nach der Klärung der Fragestellungen wurden die Lösungsansätze am Pumpendemonstrator umgesetzt und in experimentellen Tests die getroffenen Annahmen überprüft. So wurde der Nachweis erbracht, dass die gewählten Ansätze zweckmäßig sind. Zur Umsetzung und den erreichten Resultate: Die Grundlage der Zustandsüberwachung des Sensorsystems bildet die Messung der elektrischen Größen Spannung, Wirk- und Scheinstrom am Motor, der Drücke am Ein- und Austritt des Fluids und im Pumpeninneren mittels miniaturisierter Drucksensoren und die Erfassung der Fluidtemperatur. Zwei Größen, die Drehzahl und der Volumenstrom, werden nicht gemessen, sondern aus den Messgrößen ermittelt. Die Bestimmung der Drehzahl erfolgt aus dem dynamischen Anteil des Sensorsignals im Pumpeninneren mittels Spektrumsanalyse. Der Volumenstrom wird auf Basis der Druckdifferenz zwischen den Messstellen im Pumpeninneren, der Drehzahl und einem hinterlegten Kennfeld bestimmt. Die am häufigsten auftretende Störung bei Kreiselpumpen, die Kavitation, wird durch eine Analyse des Drucksignalspektrums am Fluideintritt detektiert und in der Stärke klassifiziert. Aus den gemessenen Größen lassen sich Kenngrößen, wie der Wirkungsgrad, bestimmen und eine Aussage über den Betriebszustand der Pumpe ableiten. Für die Umsetzung der Störungstoleranz des Sensorsystems wird bei der Temperaturmessung über drei Messelemente die Temperatur erfasst und mittels eines Mehrheitsentscheids der "wahre" Wert bestimmt. Bei der Druckmessung findet analytische Redundanz Anwendung. Hierfür sind im Sensorsystem Kennfelder hinterlegt, die das Verhältnis der Druckwerte zueinander beschreiben. Im Falle einer Sensorstörung wird der Sensor erkannt und, wenn möglich, rekalibriert. Ist der Sensor ausgefallen, so wird dieser durch einen "virtuellen" Sensor ersetzt. Er errechnet auf Basis der verbleibenden Sensorsignalen und mittels eines Kennfeldes den am gestörten Sensor anliegenden Druck. Das Sensorsystem kann so seinen Betrieb aufrechterhalten, bis der Sensor ausgetauscht wird. Das Sensorsystem bietet eine messtechnische Basis für weitere Forschungsarbeiten zu der Thematik Schadensfrüherkennung an der Kreiselpumpe.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The intension of this work is the conception and realisation of a deficiency-tolerant, itself monitoring sensor system for rotodynamic pumps. The following questions will be analysed: • Which measurands and parameters describe the pump conditions exactly? • Which measuring and sensor principles are ideal to determine the measurands? • Where are the best measuring points with a high resolution and a low measurement uncertainty? • Can the number of measuring points be reduced by choosing the right measuring positions? • Which algorithm is the best for pump parameter calculation? • Which kinds of principles and methods are necessary to guarantee the deficiency-tolerance of the sensors in use? After purging these questions, the approaches were realised and confirmed by tests. Now to the results: The values motor voltage, active and apparent current, pressure at the pump in- and outlet and at two positions inside the pump and the fluid temperature compose the base for condition monitoring. Two values, rotational speed and flow rate won’t be measured any longer; they will be deduced from other measurands. The dynamic part of the pressure signal gives the information about the rotational speed by using spectrum analysis. The flow rate will be determined by the pressure difference between two points inside the pump, the rotational speed and a characteristic map. Kavitation is the most frequently occurring deficiency on rotodynamic pumps. It will be detected and classified in its strength by analysing the pressure signal spectrum. Further parameters, like efficiency, can be determined with the measured values and it’s possible to make a conclusion about the current operation status. To realise deficiency-tolerance in the sensor system the temperature will be measured by three measuring elements. The correct value will be determined by a majority decision. The monitoring of the pressure sensors is realised by analytic redundancy. Therefore, characteristic maps are stored in the system. They describe the pressure relations between the measuring points inside the pump at different duty points. In case of a sensor deficiency, the corresponding sensor can be determined and, if possible, recalibrated. If the sensor fails it will be replaced by a “virtual” sensor. The pressure value will be calculated on base of the deposit characteristic maps and the other pressure values. Thus, the sensor system can operate along until the sensor will be replaced. The sensor system offers a monitoring base for further research projects on topics of early damage detection on rotodynamic pumps.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Sensorsystem, Kreiselpumpe, Selbstüberwachung, Volumenstrombestimmung, Störungstoleranz
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
rotodynamic pump, deficiency-tolerant, sensor system, flow rate detection, self monitoringEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 02 Feb 2012 11:01
Last Modified: 07 Dec 2012 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27603
Additional Information:

Druckausg. ersch. in der Reihe "Mikro- und Sensortechnik" als Bd. 21 [Darmstadt, TU, Diss., 2011]

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

Druckausg. ersch. in der Reihe "Mikro- und Sensortechnik" als Bd. 21 [Darmstadt, TU, Diss., 2011]

Referees: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland and Pelz, Prof. Dr.- Peter
Refereed: 16 September 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2760
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