干运行识别装置制造方法

干运行识别装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种泵的干运行识别装置，其具有超声波变换器(8)，该超声波变换器被设计为设置在泵壳体(24)中，并与用于产生具有预设频率的电信号的频率发生器(2)电连接。该装置的分析单元(10)用于分析出现在超声波变换器(8)上的电信号，并由此被设计为，根据电信号的信号电平来检测超声波变换器(8)是否与液体相接触。
【专利说明】干运行识别装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种泵的干运行识别装置以及一种泵机组。

【背景技术】
[0002] 为了防止泵的干运行，已知的方法是测量泵的泵壳体和泵送液体之间的电导率。 在没有液体的情况下不会形成与泵壳体的导电接触，并且电阻将急剧升高。这种测量系统 的缺点在于，电接触严重依赖于液体的电导率，并且干运行的确定通常需要一定的时间。
[0003] 专利文献EP 1510698 A2提出，使用设置在位于泵上的管道法兰中的振动叉来识 别泵的干运行。振动叉将周期性地振动。相比于振动叉与水相接触的情况，当振动叉只与 空气接触时，振动将由于较低的阻尼而具有更长的衰减时间。该结构的缺点在于，必须在泵 上安装附加的管道法兰，以便为振动叉提供足够的空间。此外，激励在此是发生在低频率。 因此必须通过多次激励来确定衰减时间，以便能够排除激励本身对识别干运行的影响。


【发明内容】

[0004] 因此本发明的目的在于提出一种装置，其能够以紧凑的结构快速地识别出泵壳体 中的泵的干运行。
[0005] 本发明的目的通过一种干运行识别装置和一种泵机组来实现。优选的实施方式将 由以下内容给出。在此，在本申请中给出的特征可以单独地设置，但是也可以通过适当的组 合提供更多的实施方式。
[0006] 根据本发明的泵的干运行识别装置具有：超声波变换器，其设置在泵壳体中并与 用于产生具有预设频率的电信号的频率发生器电连接；和分析单元，该分析单元用于分析 位于超声波变换器上的电信号，并为此被设计为：根据电信号的电平来检测是否存在超声 波变换器与液体的接触。超声波变换器将电振动转化为机械振动。在此，振动频率处于超 声波范围内。当超声波变换器与空气相接触时，超声波变换器可以根据其激励频率小幅衰 减地振动。在此，超声波变换器具有特定的电特征，例如特定的阻抗。在此，术语阻抗代表 复数电阻（komplexen Winderstand)，在此可以只关注阻抗的实数部分。当超声波变换器与 液体、优选为水接触时，会有部分机械性振动能量传递至水中。由此使得振动衰减，这将导 致超声波变换器的振动方式发生变化。这种变化可以通过超声波变换器上的特定电特征来 测量。因此，例如超声波变换器的阻抗是可以改变的。
[0007] 分析单元被设计用于评估超声波变换器上的电信号。为此，分析单元具有电子器 件，用以根据电信号或电信号的变化来识别超声波变换器是否与液体相接触。根据本发明， 将分析单元的电路设计为，可以对所测得的电信号的电平进行分析，并根据该电平识别超 声波变换器是否与液体相接触。
[0008] 超声波变换器在超声波范围中的机械振动对人来说是听不见的。此外，超声波振 动可以快至具有约50 μ s和更短的振动周期，从而能够足够快地识别出超声波变换器与液 体接触的变化。因此，根据超声波变换器的电特征的变化并通过对电信号的分析可以识别 出干运行。
[0009] 优选将超声波变换器设置在泵的泵壳体中。优选超声波变换器具有较小的结构， 从而使其能够在泵壳体的内部空间中与液体相接触，并且不会损害泵的抽吸效应。
[0010] 优选超声波变换器具有平整的表面，该表面可以在安装位置上与液体相接触。该 平整的表面构成均匀的接触面。优选该平整的表面齐平地与附近的泵壳体的内侧面相邻 接，因此超声波变换器本身不会伸入泵壳体的内部空间中。
[0011] 此外，优选超声波变换器具有螺纹，超声波变换器可以通过该螺纹特别是液体密 封地与泵壳体用螺丝拧紧。由此可以将超声波变换器安装在泵壳体上，在泵壳体上存在螺 纹、特别是螺纹孔形式的相应的插口。因此超声波变换器可以被很容易地更换。特别优选 将该螺纹设计为，可以使超声波变换器拧入已经存在于泵壳体上的、具有相应的配对螺纹 (Gegenwind)的开口中，例如排气孔。由此，超声波变换器可以构成泵的扩展部分。
[0012] 频率发生器被设计用于产生具有预设频率的电信号。该电信号被提供给超声波变 换器，并转化为具有预设频率的机械振动。因此超声波变换器的超声波频率与电信号的预 设频率相同。
[0013] 分析单元与超声波变换器电连接，从而使分析单元能够测量并分析落在超声波变 换器上的电信号电平。为此将分析单元设计为，能够根据电信号、特别是根据电信号随时间 的变化来识别超声波变换器是否与液体相接触。为此，分析单元分析电平或电平的变化，例 如超声波变换器上的电压降或电信号的相位。在一种相应的实施方式中，分析单兀可以例 如通过超声波变换器的电压的振幅达到或低于预设的值来识别出干运行，在此，该预设的 值大约位于超声波变换器与液体完全接触时的值和超声波变换器与液体没有接触时的值 之间。
[0014] 在一种特别优选的实施方式中，频率发生器的电信号的预设频率在20kHz和 80kHz之间，优选为40kHz。优选超声波变换器具有在超声波范围内的固有频率。因此优选 转化为超声波范围内的机械振动的电信号同样具有在kHz范围或MHz范围内的频率。在此， 电信号的频率位于20kHz和80kHz之间。在该范围内的振动人是听不见的。此外，用于产 生在中间的kHz范围内的频率的频率发生器价格合适且技术稳定。优选电信号具有与超声 波变换器的固有频率一致的频率。因此超声波变换器可以通过电信号在没有较大损耗的情 况下转化为振动。技术成本较低的超声波变换器具有例如40kHz的固有频率。
[0015] 优选将分析单元设计为，对频率低于超声波范围的电信号进行评估。如前所述， 就技术而言有利的是分析在一时间间隔内的信号变化，其本身位于电信号的周期时间的上 面（oberhalb)，并且在此期间不必对超声波变换器与液体的接触的较小波动和变化进行识 另IJ。例如可能在短时间内在超声波变换器上会积聚有污物颗粒，这会导致超声波变换器的 特定电特征发生快速变化，在此，将污物颗粒从超声波变换器上清除之后，电特征快速地再 次返回其初始值。
[0016] 特别优选将分析单元设计用于对电直流电压信号进行评估。由此，分析单元将不 对周期变化的信号的信号电平进行分析，而是要分析并识别待测量电信号的当前实际值或 分散、持续的变化，例如在泵干运行时并因此从超声波变换器的电特征的突然但持续发生 的变化来获得这种变化。不对周期性的变化进行检测。优选分析单元根据低于或高于预设 值来识别超声波变换器是否与液体相接触。
[0017] 特别优选在超声波变换器和分析单元之间电连接地设置包络线探测器。包络线探 测器用于从随时间变化的信号中过滤掉该信号的包络线。由此，至少能够过滤掉高于一定 频率的周期分量。包络线探测器也可以过滤掉电信号的所有周期分量，从而只留下直流电 压信号或直流电流信号。利用这种包络线探测器将有利于直接过滤掉对于识别泵的干运行 不是必需的信号分量。所保留下来的剩余信号在超声波范围内缺少特别是周期性的变化， 并且基本上反映了待评估的电信号随时间变化的振幅进程。根据该已被过滤的信号也可以 容易地对在超声波变换器相对于液体失去接触（Kontaktverlust)条件下的信号电平的变 化进行分析。将分析单元设计为，对已被包络线探测器过滤的信号进行分析并识别超声波 变换器是否与液体相接触。如前所述，分析单元对被过滤的信号的信号电平进行分析，并与 预设值进行比较，和/或分析单元对信号电平随时间的变化进行分析。可以优选信号电平 在超声波变换器与液体之间失去接触期间升高。但是信号电平也可以降低。
[0018] 优选频率发生器的电信号是矩形信号。矩形信号的特征在于它的从一个振幅过渡 到下一个振幅时的边沿陡度。超声波变换器将电矩形信号转化为具有相同频率的机械振 动。
[0019] 特别优选配置可作为频率发生器和/或分析单元起作用的微控制器。优选将微控 制器设计为，可发出具有预设频率的电信号。为此，优选微控制器具有用于输出电信号、特 别是频率在kHz范围内的电信号的输出端。此外，优选微控制器可以具有用于从超声波变 换器截取的电信号的输入端。此外优选将微控制器设计为：对从超声波变换器上截取的信 号进行分析，并在本发明中根据信号电平或信号电平的变化来识别超声波变换器是否与液 体相接触。使用微控制器可以减少元件的数量，因为微控制器可以有利地承担多个功能。特 别优选将微控制器设计用于执行根据本发明的电信号分析的所有必需的操作。
[0020] 优选微控制器与显不器、至少一个信号灯和/或扬声器或声音信号发射器电连 接。为此可以将干运行识别装置设计为，能够用信号指示对干运行进行识别。例如可以通 过所连接的显示器以图像的方式可视地说明干运行。为了能够可视地报警，信号灯（例如 LED)可以通过闪烁和/或颜色变换来指示对干运行的识别。替代地或附加地，干运行识别 装置可以具有例如扬声器，该扬声器在识别出泵的干运行时将发出声音预警信号。通过这 些技术方案，使得泵的操作人员能够例如通过在干运行造成伤害之前关闭泵来保护泵。
[0021] 在一种特别优选的实施方式中，频率发生器和超声波变换器与电阻串联地电连 接。频率发生器发出落在电阻和超声波变换器上的电信号。电阻和超声波变换器的串联电 路构成了分压器。因此，与电阻的阻抗和超声波变换器的阻抗相关地分别在两个元件上各 自具有电压降。因此，由分析单元单独在超声波变换器上截取而非在电阻上截取的信号不 仅与超声波变换器是否与液体相接触有关，而且还与例如电阻和超声波变换器彼此的阻抗 比有关。此外有利的是，利用该电阻可以例如在超声波变换器的阻抗极小时避免频率发生 器发生短路。
[0022] 本发明还涉及一种具有泵壳体的泵机组，该泵壳体具有如前所述的干运行识别装 置，在此将该装置的超声波变换器这样设置在泵壳体中：使超声波变换器能够在泵壳体内 部与液体相接触。在例如离心泵的泵机组中，优选将超声波变换器设置为，其一方面能够在 泵壳体内部与液体相接触，另一方面却不会影响泵的抽吸作用。为此，优选超声波变换器不 伸入或只是无关紧要地伸入泵的内部或流动路径中。优选超声波变换器构成泵壳体的内 壁、即限定流动路径的壁的一部分，在此，根据本发明超声波变换器也可以相对于内壁缩回 或突出。特别优选将沿安装方向示出的超声波变换器的面设置为与泵壳体的内壁齐平。在 此优选将超声波变换器设置在泵壳体中这样的位置上：在泵干运行时，当可能会由于干运 行而损坏的重要的泵部件（例如轴承和密封件）还没有充分地沾染上液体时，超声波变换 器和液体之间的接触将提前消失。
[0023] 特别优选超声波变换器具有平整的表面，超声波变换器通过该平整的表面与液体 相接触或不接触。因此，该平整的表面适宜地是超声波变换器的位于泵壳体内部的部分。在 此，该平整表面的面法线（Fmchennormale)出现在泵壳体的内部空间中，并且优选超声 波变换器的平整表面自身构成泵壳体的限定流动路径的内壁的一部分。优选超声波变换器 被液体密封地、可拆卸地安装在泵中，特别是用螺丝拧紧在泵中。优选泵具有朝向泵壳体的 内部空间开放的接口或开口。超声波变换器具有壳体，该壳体可以有利地通过螺纹在泵壳 体的接口上拧紧或拧入泵壳体的开口中。因此在超声波变换器损坏时，可以容易地将其从 泵上再次拧下并修理或更换为新的。在本发明中，泵壳体和超声波变换器之间的连接也可 以其它的方式实现，例如设计为卡口连接或夹紧保持。
[0024] 优选至少频率发生器和分析单元是与超声波变换器间隔开地设置，并特别设置在 泵壳体外面在电子器件壳体中。优选将频率发生器和分析单元防溅地设置在电子器件壳体 中。优选将可能具有多个内导线的一根电缆或多根电缆从电子器件壳体引向超声波变换 器，并因此形成超声波变换器和电子元件之间的电连接。优选将干运行识别装置的除超声 波变换器之外的所有电子元件设置在电子器件壳体中。因此根据本发明的实施方式，可以 在电子器件壳体中设置电阻，该电阻如前所述地与超声波变换器、包络线探测器和/或其 它电子元件串联连接。在电子器件壳体中能够例如在元件损坏时容易地进行更换或修理。 此外，超声波变换器的分离设置还具有需求空间小和易于集成在泵中的优点。在电子器件 壳体中还可以设置其它元件。因此可以将用于干运行识别的电子器件与存在于电子器件壳 体中的其它电子器件（例如电机控制电子器件）相连接，以使泵机组的电机控制集成为一 体。
[0025] 特别优选将泵壳体和/或电子器件壳体设计为，可以加装干运行识别装置。因此 可以优选将超声波变换器设计为，其能够拧入泵壳体的已有的开口（例如排气口）中。电 子器件壳体可以构造为能够设置于泵壳体上的附加构件。因此，可以如前所述地将干运行 识别装置的电子器件设置在电子器件壳体中。
[0026] 优选可以将承担分析单元和信号发生器的功能的微控制器设置在电子器件壳体 中。由此将减少部件的数量，这将简化电子元件在电子器件壳体中的安装。此外，可以将微 控制器与位于电子器件壳体中或电子器件壳体上的显示器、至少一个信号灯和/或声音发 射器电连接。因此，通过微控制器能够可视地或可听地发布对干运行的识别。目前就技术 而言，可以使用泵机组的电子器件壳体中已有的用于其他目的的微控制器来承担频率发生 器和分析单元的功能。
[0027] 特别优选保护单元可以与用于干运行识别的装置和泵的驱动电机电连接，或者与 它们集成为一体，在此，将保护单元设计用于在泵干运行时关闭驱动电机。当通过分析单元 确定超声波变换器不再与液体相接触并由此使得泵干运行时，将触发保护单元以关闭泵的 驱动电机。在此，关闭泵机组的电机可以通过简单地中断电流供应来实现，但是也可以通过 例如用于可控地关闭电机的关闭流程来实现。优选保护单元可以与所述的微控制器相连接 或由微控制器构成。因此，微控制器不仅承担着频率发生器和分析单元的任务，而且还承担 起保护单元的功能，并能够在识别出干运行时关闭泵。在最简单的情况下，保护单元可以由 开关（例如继电器）构成，或例如通过干运行识别装置和电机控制装置的共同作用来实现， 以使电机控制装置在干运行时关闭电机。
[0028] 优选将保护单元设置在泵壳体上的电子器件壳体中。在此，在电子器件壳体中也 可以设置至少一个如前所述的电子器件，例如干运行识别和/或电机控制的装置的部件， 在此，保护单元与干运行识别装置和电机控制电子器件电连接，或与泵接口的用于电机的 电源接口电连接。

【专利附图】

【附图说明】
[0029] 下面参照附图中示出的实施例对本发明作详细说明。其中：
[0030] 图1示出了根据本发明的用于干运行识别的装置的电路图，和
[0031] 图2示出了具有如图1所示的干运行识别装置的离心泵机组的纵截面示意图。
[0032] 其中，附图标记说明如下：
[0033] 2频率发生器输出端
[0034] 4参考电位
[0035] 6第一欧姆电阻
[0036] 8超声波变换器
[0037] 10分析单元输入端
[0038] 12微控制器
[0039] 14包络线探测器
[0040] 16 电容
[0041] 18第二欧姆电阻
[0042] 20 二极管
[0043] 21保护单元
[0044] 22离心泵机组
[0045] 24泵壳体
[0046] 26 轴
[0047] 28电机壳体
[0048] 30 叶轮
[0049] 32吸入接口
[0050] 34压力接口
[0051] 36 接口
[0052] 38 电缆
[0053] 40电子器件壳体
[0054] 42显示器。

【具体实施方式】
[0055] 根据如图1所示的电路图，干运行识别装置具有微控制器12,其构成频率发生器 和分析单元，也就是说，微控制器承担了频率发生器和分析单元的功能。为此，微控制器具 有频率发生器的输出端2和分析单元的输入端10。在频率发生器的输出端2和通过微控制 器12预设的参考电位4之间设有第一欧姆电阻6和超声波变换器8的串联电路。分析单 元的输入端10与超声波变换器8电连接。
[0056] 在频率发生器的输出端2上，相对于参考电位4产生具有约40kHz的预设频率的 电信号，该电信号根据第一欧姆电阻6和超声波变换器8的阻抗比被相应分压地落在第一 欧姆电阻6和超声波变换器8上。落在超声波变换器8上的电信号分量可以通过超声波变 换器8转化为机械振动，该机械振动同样具有约40kHz的频率。
[0057] 针对分析单元的功能，将微控制器12设计为，对从超声波变换器8上截取到的电 信号分量以及在分析单元的输入端10上的电信号分量进行评估，从而使得微控制器12能 够识别超声波变换器8是否与液体相接触。当超声波变换器8与液体（例如水）相接触时， 相比于与气体（例如空气）相接触，液体会使得超声波变换器的机械振动被更强烈地衰减。 超声波变换器8的这种更高的衰减被表示为超声波变换器8上更高的电平。因此在超声波 变换器8上可以截取与接触空气相比更高的信号分量。为此将微控制器12的分析单元设 计用于识别信号分量的电平或电平的绝对值或电平的变化。当起到分析单元作用的微控制 器12评估出施加于超声波变换器8上的电信号的电压振幅时，微控制器12在超声波变换 器8与液体相接触时将识别出很高的电压降。当泵干运行时，即超声波变换器8失去与液 体的接触或不再与液体接触时，所测得的电压将降低。
[0058] 在分析单元的输入端10和超声波变换器8之间设有包络线探测器14。在本实施 例中，包络线探测器14由电容16、第二欧姆电阻18和二极管20组成，在此，电容16和第 二欧姆电阻18与超声波变换器8并联地设置在分析单元的输入端10和参考电位4之间， 二极管20设置在由电容16和第二欧姆电阻18的并联电路与超声波变换器8构成的回路 (Masche,网路）中。将二极管20设置为正向导通。
[0059] 包络线探测器14被设计为，在分析单元的输入端10上加载信号，该信号称为超声 波变换器8上的电压降的基础，并且该信号至少不具有kHz范围内或更高的高频分量。在 此，二极管20负责使正信号分量通过，随后通过由电容16和第二欧姆电阻18组成的并联 电路过滤掉信号的高频分量。因此，通过分析单元的输入端10只能向微控制器12导入一 个信号，该信号的关于振幅信号的时间变化基本上取决于超声波变换器8是否与液体相接 触。
[0060] 在该实施例中，微控制器12还与保护单元21电连接，该保护单元被设计用于关闭 泵机组的电机。因此可以利用保护单元21在识别出干运行时关闭泵机组的电机。但是这 不是本发明的必要特征。
[0061] 在图2中以示意图示出了离心泵机组22形式的泵机组的实施例，该泵机组具有根 据本发明的干运行识别装置。离心泵机组22在其泵壳体24中具有轴26。轴26由位于电 机壳体28中的电机驱动。在泵壳体24中，在轴26上设有叶轮30。也可以在轴26上设置 多个叶轮30。泵壳体24以公知的方式具有吸入接口 32和压力接口 34。
[0062] 电子器件壳体40设置在电机壳体28上。在电子器件壳体40中设有用于控制离 心泵机组22的电机电子器件。
[0063] 超声波变换器8通过螺纹拧入泵壳体24的开口 36。超声波变换器8通过引向泵 壳体24外面的电缆38与电子器件壳体40相连接。根据如图1所示的电路图，在电子器件 壳体40中，除了微控制器12之外还设有作为电子器件的包络线探测器14和第一欧姆电阻 6，在此，超声波变换器8通过电缆38如图1所示地与电子器件壳体40中的元件电连接。通 过微控制器12记录：是否在泵壳体24内部的设有超声波变换器8的位置上存在与待泵送 的液体的接触。将超声波变换器8设计为，其可以有利地拧入泵壳体24中的排气口中。这 使得能够在已有的泵机组上实现简单的加装。
[0064] 电子器件壳体40具有显示器42,该显示器设置于电子器件壳体40的外侧面上，并 至少被设计用于显示是否通过微控制器12识别出干运行。显示器42与微控制器12电连 接。此外，也可以在显示器42上显示其它数据，例如离心泵机组22的转速和运行时间。替 代地或附加地，除了显示器42之外，还可以在电子器件壳体40中设置至少一个LED并与微 控制器12电连接。因此，微控制器12可以通过LED显示是否已经记录下离心泵机组22的 干运行。
[0065] 在本实施例中，为了防止离心泵机组22干运行，使微控制器12与同样设置于电子 器件壳体40中的电机的保护单元21这样连接：在识别出离心泵机组22干运行时，可以通 过保护单元21关闭电机壳体28中的电机。由此可以避免由于离心泵机组22的干运行而 使得例如轴承或轴26上的叶轮30受到伤害。但是本发明也可以在没有这种保护单元21 的情况下实现。
[0066] 在本实施例中，保护单元21与离心泵机组22的电机控制电子器件集成为一体。因 此在安装电子器件壳体40时，保护单元21是作为离心泵机组22的电机控制电子器件的一 部分被安装的。在一种替代的实施方式中，可以将保护单元21设计为附加构件，其可以设 置在电子器件壳体40中或单独的电子器件壳体中，并可以与电机或电机控制电子器件电 连接。由此使得能够为已安装的离心泵机组22加装干运行保护装置，或者可以可选地将干 运行保护装置模块化地安装在离心泵机组22中。
【权利要求】
1. 用于泵（22)的干运行识别装置，具有：超声波变换器（8)，其被设计为设置在泵壳体 (24)中，并与用于产生具有预设频率的电信号的频率发生器（2)电连接；和分析单元（10)， 用于分析在所述超声波变换器（8)上的电信号，并由此被设计为，根据所述电信号的信号 电平来检测所述超声波变换器（8)是否与液体相接触。
2. 根据权利要求1所述的干运行识别装置，其特征在于，所述频率发生器（2)的电信号 的预设频率在20kHz至80kHz之间，优选为40kHz。
3. 根据权利要求1或2所述的干运行识别装置，其特征在于，所述分析单元（10)被设 计用于评估其频率在超声波范围之下的电信号。
4. 根据权利要求3所述的干运行识别装置，其特征在于，所述分析单元（10)被设计用 于评估电直流信号。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的干运行识别装置，其特征在于，在所述超声波变 换器（8)和所述分析单元（10)之间电连接地设有包络线探测器（14)。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的干运行识别装置，其特征在于，所述频率发生器 (2)的电信号是矩形信号。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的干运行识别装置，其特征在于，设置有微控制器 (12)，所述微控制器起到所述频率发生器（2)和/或所述分析单元（10)的作用。
8. 根据权利要求7所述的干运行识别装置，其特征在于，所述微控制器（12)与显示器 (42)、至少一个信号灯和/或扬声器电连接。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的干运行识别装置，其特征在于，所述频率发生器 (2)和所述超声波变换器（8)与一电阻（6)串联地电连接。
10. -种具有泵壳体的泵机组（22)，其特征在于具有前述权利要求中任一项所述的干 运行识别装置，其中，所述干运行识别装置的超声波变换器（8)被设置在泵壳体（24)中，使 得所述超声波变换器（8)能够在所述泵壳体（24)内与液体相接触。
11. 根据权利要求10所述的泵机组（22)，其特征在于，在所述泵壳体（24)外面的电子 器件壳体（40)中设有频率发生器（2)和分析单元（10)。
12. 根据权利要求10或11所述的泵机组（22)，其特征在于，保护单元与所述干运行识 别装置和所述泵机组（22)的驱动电机电连接，其中，所述保护单元被设计为，在通过所述 干运行识别装置识别出所述泵机组（22)干运行时关闭所述驱动电机。
【文档编号】F04D15/00GK104454562SQ201410466593
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】弗莱明·蒙克 申请人:格兰富控股联合股份公司