潜水泵机组和用于运行潜水泵机组的方法与流程

本发明涉及一种用于布置在井或容器中的潜水泵机组和一种用于运行潜水泵机组的方法。

背景技术：

潜水泵机组通常配备有水密的或者说被封装的马达，并被直接插入在水中或者说待输送的液体中、也就是说沉入其中，从而使得这些潜水泵机组至少在运行中应该被待泵送的液体围绕，因为否则例如可能会出现泵的有害的干运行。

因此，当潜水泵例如在待泵送的液体中沉入时，在泵的运行中重要的是要连续地检测围绕泵的液体的水平。但是出于其他原因，也可能适宜或者需要知道围绕泵的液体的液位。

另外在现有技术中已知的是，在潜水泵中设有浮子开关，其在达到最低水平时会切断驱动器，以避免干运行。此外，这类浮子开关也可以用于液位调节。

为了探测或者说确定围绕潜水泵的液体的水平，在现有技术中还已知的是使用附加的传感器和/或附加的缆线，它们必须与潜水泵或者与潜水泵的控制电子装置相连接。

但是，这些在现有技术中已知的解决方案是非常耗费的并且容易出现故障，并因此导致高的生产和维护成本。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种潜水泵机组和一种用于运行这种潜水泵机组的方法，借助于它们能够以简单和可靠的方式测量液体的液位，在该液体中设置潜水泵机组。

本发明的目的通过一种根据本发明用于布置在井或容器中的潜水泵机组以及一种根据本发明用于运行潜水泵机组的方法来实现。本发明的有利扩展方案在下面的说明和附图中给出。

本发明意义上的潜水泵机组可以是使用在井、容器或钻孔中的泵，即典型地是废水泵或钻孔泵。但是，其也可以是用于从罐槽等向外输送的泵。

根据本发明的潜水泵机组被确定用于布置在井或容器中，并且设有泵和驱动该泵的电动马达以及设有用于供电的缆线，该缆线被设计用于从井或容器的顶侧引出并用于连接位于井或容器外面的电源。根据本发明，泵机组具有电子设备单元，该电子设备单元被设计为：将信号传递到缆线中，并检测位于井或容器中的液体的表面上的反射信号，并从该反射信号中利用时域反射测量法(zeitbereichsreflektrometrie)来确定井或容器中的液位。通过根据本发明的这种配置方案，以简单并因此有成本效益的方式实现：能够可靠地检测其中设置有潜水泵机组的井或容器中的液体的水位。为此不需要额外的传感器或浮子开关，因为这种测量是通过无论如何已有的电力缆线执行的。

根据本申请的发明意义上的潜水泵机组不仅包括泵和驱动该泵的电动马达，而且还包括设置在机组壳体中或上的电子设备单元以及用于供电的缆线。

本发明意义上的从顶侧引出缆线并非一定被理解为将缆线从井的顶侧上引出，确切地说也可以横向于井壁部侧向地和与该井壁部错开地进行这种引出，当然适宜的是在井或容器的最大预期的液位之上进行。

因此，本发明的基本思想是很大程度地放弃用于在井或容器中进行液位检测的传感装置，并通过对通常无论如何已有的电子设备单元的相应扩展，向同样是无论如何已有的供给缆线中馈入一信号，以便检测在位于井或容器中的液体的表面上所产生的反射信号，并从该反射信号中借助于时域反射测量法来确定当前的液位。根据本发明的解决方案的特别优点在于：其一般可以被设置在常见的潜水泵机组上，而不必将潜水泵机组进行结构性地改变，仅涉及从电子设备单元发明进行相应的设计。

根据本发明，用于产生信号和接收反射信号并由此用于确定液位所设置的电子设备单元可以设置在收纳泵和驱动马达的壳体内部，但是也可以在外面设置在该壳体上或其附近。因此，例如可以在该壳体的附近或者在该壳体上设置缆线接口，然后将具有所配属的电子设备单元的、实际的从井中引出的缆线设置到该缆线接口上。这样的接口在结构上被配置为，其一方面设置得尽可能地靠近收纳泵和电动马达的壳体，另一方面确保了在液体内部在可能几百米深处使用时所需要的密封性。

在根据本发明的一种优选实施方式中，缆线是标准电力缆线、特别是由铜制成的标准电力缆线。这是一种特别成本有利的变型方案，因为缆线不必以任何特殊的方式被设计用于作为传感器起作用，而仅仅是用于提供使潜水泵的电马达运行的工作电流。信号耦合和解耦可以电容式地进行。

在使用标准电力缆线时，必须将信号耦合到该标准电力缆线中并从该标准电力缆线中解耦接收到的反射信号。例如在外部的、也就是设置在井外面的马达控制器和电子设备单元之间的可能的通信信号同样能够通过该缆线来引导，例如借助于本身已知的电力线通信，就像这种电力线通信从网络技术领域已知的那样。还有一种较简单和较抗干扰的变型方案，其中，在缆线中除了电流导体之外还配置有至少一个单独导体，该单独导体一方面被设置用于时域反射测量法所需要的信号和反射信号，并且该单独导体另一方面也优选被使用用于与外部马达控制器进行数据通信。于是，针对测量液位所需要的信号完全与通电无关并由此完全与典型地易发生的高次谐波/干扰信号无关。该数据通信也可以通过这种单独导体明显较容易和较稳定地进行，无论是通过对信号进行相应调制，还是优选通过在测量信号和通信信号之间进行时间分割。

在另一种优选实施方式中，在缆线上设有至少一个标记、优选金属性的环。按照本申请的发明意义上的标记可以是缆线上的任意合适的构造方案，其适于改变该区域中的电容特性并因此产生反射信号。这点例如可以通过在绝缘部上的加厚，通过并入金属区段或者优选通过布置金属性的环来形成。可以在缆线上相对于前述的标记或金属性的环和/或泵机组以预定的距离布置一个或多个其他的标记或金属性的环。在缆线上布置一个或多个标记、特别是金属性的环会导致缆线内部的电介质场(dielektrischefeld)发生变化，并由此能够实现还要更准确的测量。因此，借助于这种标记/金属性的环不仅能够获得液体表面的反射信号，而且还能够获得该标记/环的反射信号，由此能够提高测量精度并且可以校准。为此目的，以预先给定的距离(相对彼此和相对于泵机组)布置所述一个或多个标记/环。这种金属性的环可以被简单地从外部机械紧固在缆线上，或者在使用特殊缆线的情况下可能地被集成在护套中。

特别有利的是，通过电子设备单元传递到缆线中的信号是被编码的脉冲序列。由此，例如可以抑制或者补偿由变频器或其他引起噪声的装置所引起的噪声。

优选地，缆线包括连接泵机组的第一缆线区段和与电源待连接的第二缆线区段，其中，第一缆线区段和第二缆线区段借助于连接元件在连接接口上彼此连接。这种布置方案的优点在于：与所需的缆线长度无关，带有接头缆线的泵机组可以始终相同地构造，仅从连接接口导向电流接头的第二缆线区段必须是长度定制的

根据本发明的一种有利扩展方案，泵机组、特别是电子设备单元具有用于探测泵干运行的器件，该器件在电子设备单元中形成并使用通过时域反射测量法所确定的数据。例如可以在低于最低液位时确定发生干运行，在这种情况下于是优选自动关断。因此，没必要为此来探测泵的实际干运行。另外，也可以将时域反射测量法与常规的干运行探测结合在一起，例如借助于马达电流监控的探测。替代地或附加地，根据本发明的一种扩展方案，借助于电子设备单元可以确定液体侵入到连接元件或缆线中，因为这些结构部件的电容表现会由此相对变化，并且这点可以通过对电子设备单元的适当设计来确定。在此，连接接口可以位于泵壳体附近的短缆线区段上，或也可直接位于泵壳体上，那么第一缆线区段仅位于壳体内部。

还有利的是，该泵机组此外具有用于确定第一缆线区段和第二缆线区段的连接接口上的电介质变化的器件，和/或具有用于补偿第一缆线区段和第二缆线区段的连接接口上的电介质变化的器件。因此，通过相应构造电子结构单元能够以简单的方式监控该接口，并在测量时考虑或者补偿可能发生的变化，例如接触电阻上的变化。

电子设备单元优选位于收纳泵和电动马达的壳体内部，但是也可以在该壳体的外侧上布置在一单独壳体内。后者特别是适用于在不必改变基本结构的情况下对现有泵结构进行改造。

反之，如果要销售选择性地具有或者没有这种电子设备单元的泵机组，例如根据本发明的没有液位传感器的成本低廉的简单变型方案和带有液位传感器的较耗费的变型方案，那么可以有利的将电子设备单元并入到第二缆线区段中、优选并入到连接元件本身中，以便如有可能的话可以使位于井/液体内部的整个缆线直至泵都能够被用于确定液位，或者可以在该缆线区段的连接接口侧端部的第一米的区域中并入。因此，在这样的设计方案中，同一个泵可以仅通过如上所述那样对第二缆线区段进行选择来配置。

有利地，至少在缆线的连接到电源上的端部上设置缆线端部滤波器(kabelendfilter)。这样的滤波器典型地是低通的，其阻挡了电源方面的高频高次谐波，特别是在使用变频器的情况下，而且也阻挡了马达/马达电子器件的干扰信号。此外，借助于该缆线端部滤波器还可以通过时域反射测量法来确定缆线的端部。优选地，这样的滤波器不仅是设置在缆线的电源侧端部上，而且也设置在缆线的马达侧端部上，确切地说是在电子设备单元之前，以便切断马达侧的高次谐波/干扰。当通信数据同样经由电流引导导体被传递时，可以在测量信号方面以及在通信信号方面协调这些滤波器。通信信号有利地通过通信单元馈入到缆线中并从缆线中接收，该通信单元形成电子设备单元的部件。

适宜的是，不仅在第一次测量之前执行对测量装置进行校准，而且有可能的话以定期间隔方式执行对测量装置进行校准，这是因为位于液体中的缆线可能会由于外部影响而随着时间的推移发生变化，外部影响例如是藻类或小动物的积聚。在此，这种校准借助于安装在缆线上的标记进行，这些标记相对于泵的距离是已知的并且这些标记能产生可探测的反射信号而不管周围的介质如何。在此，以适宜的方式存储被确定的值，从而使得能够与当前校准的值进行比较，并由此可以确定和考虑基于外部影响的长期变化。根据该方法的一种有利扩展方案，因此也可以确定液体侵入到缆线或缆线的连接接口的连接元件中，为此，在电子设备单元中适宜地存在有微处理器以及存储器，其借助于被执行的软件根据之前被确定的特征值来检测这些状态，并根据需要通过通信单元将其信号化或者触发报警。

此外，在缆线端部滤波器和电源之间可以设置变频器和马达控制器。

根据本发明还提出了一种用于运行潜水泵机组的方法，其中，该方法包括测量设置有泵机组的井或容器内的液位的步骤，其中，该测量液位的步骤利用时域反射测量法来执行。

优选地，该测量液位的步骤包括：将信号、特别是具有振幅为5伏的脉冲序列的信号传递到使泵机组与电源连接的电力缆线中；以及检测所传递的信号在容器中的液体的表面上的、特别是在液体/空气边界上的变化。

根据一种优选实施例，设置在泵机组中的电子设备单元还可以将信号发送到缆线上，并测量直至缆线中的该信号的振幅发生变化所需要的时间，并从测量到的时间来计算缆线从泵机组直至液体/空气边界的长度。

有利的是，在泵停机期间、在泵第一次投入运行期间或者在泵运行期间执行该测量步骤。如果在泵停止或不运行时执行该测量步骤，就有利地避免了由电马达和/或变频器在泵运行时所引起的电噪声，并因此使电噪声不会影响到测量信号。

该方法还可以包括探测泵的干运行的步骤。对泵的干运行的探测可以要么在低于预定的最小液位时进行，要么在待探测的反射信号根本无法确定时进行。后一种设计方案防止泵机组处于未限定的状态或在电子设备单元发生部分故障时保护泵机组。

在污水泵中，泵机组被布置得站立在基础上并重要地将液体有可能的话泵送到地面，也就是说泵只有在可能的干运行之前不久才会被关断，在该污水泵的情况下适宜的是：典型地在机组壳体顶侧上出来的缆线在壳体上接近于支撑面地被侧向引导，以便然后转动180°向上指向。利用这样的缆线引导可以在将前述标记进行适当布置和相应校准的情况下，即使是在泵的高度范围上也相当准确地确定液位。在这样的情况下，于是替代可能更常见出现的液体-空气边界可以探测空气-液体边界。缆线例如用环形带材或金属环或塑料环(其环绕缆线和泵壳体)固定在泵机组上。

偶尔也需要的是，在缆线引导时不将缆线直接从泵机组向上引导，而是首先一度相对于泵机组横向地引导，即水平地或倾斜地引导。缆线的水平部分在确定液位时当然不能被计算在内。这点有利地通过电子设备单元以软件执行方式自动进行，即如果在电子设备单元的内部确定了液位从预先给定的值下降到特别是零。这点可以通过一次或多次的发生来了解，并然后在随后的测量中相应地加以考虑。还可以考虑的是，优选能够通过缆线本身借助于通信接口来对电子设备单元编程，从而使技术服务人员在装入泵机组时在现场已经可以输入其并在电子设备单元中进行信号评估时将其考虑进去。替代地或附加地，该区域也可以通过设置在缆线上的标记来限定，例如通过两个以小的距离依次布置的环或其它适当的标志。

附图说明

下面参照附图中示出的实施例对本发明进行更详细的说明。其中：

图1以高度简化的示意图示出了位于填充了液体的井中的根据本发明的潜水泵机组，其中，井以截面图示出，

图2a-图2d示出了测量图表，这些测量图表在井中填充状态不同的情况下利用根据本发明的方法在潜水泵机组内部生成并可评价，

图3示出了相应于图1的潜水泵机组的一种替代实施方式的视图，

图4以示意性纵截面图示出了根据本发明的钻孔泵，和

图5示出了本发明的一种实施方式变型的框图。

附图标记列表

1潜水泵机组

2井

3泵

4水表面

5缆线(5′第一缆线区段/5″第二缆线区段)

6井的顶侧

7电源

8电动马达

9电子设备单元

10水

11填充状态/液位

12连接接口

13连接元件

14变频器

15部位

16，16′，16″环

17马达控制器

18供应管道

19滤波器

20滤波器

21壳体

22耦合构件

23排出接头

具体实施方式

在图1中不仅以截面图示出了井2，而且示出了位于其中的潜水泵机组1。井2中填充了液体，在这里为水10，并具有液位11。潜水泵机组1在此完全被水10围绕，该潜水泵机组包括泵3和驱动泵3的电动马达8。电动马达8通过缆线5连接设置在井2外面的电源7。

缆线5具有第一缆线区段5′和第二缆线区段5″，它们在连接接口12上借助于连接元件13彼此连接并且可以具有直到数百米的总长度。在此典型地，直接与泵机组1牢固连接的第一缆线区段5′由制造商提供与泵机组1连接。第二缆线区段5″以对于用户个别的方式提供，即根据所需要的长度定制。如图中能够看到的那样，在缆线5上以预定的距离彼此间隔开地在这里示例性地设置有三个金属性的环16、16′、16″。这些环16、16′、16″改变了缆线5中的电介质场并形成标记，这些标记使得能够较精确地测量液位。

缆线5在井2的顶侧6处从该井中引出，并因此在井2的外面连接到电源7上或者说经由设置在电源7上并在图5中示出的缆线端部滤波器19连接到电源7上。此外，在缆线端部滤波器19和电源7之间设置有变频器14和马达控制器17。

以18表示泵机组1的输送管道，从井2中通过泵3输送出来的液体通过该输送管道排出。

泵机组1还包括电子设备单元9。该电子设备单元9也被设计为：用于探测泵3的干运行并为此使用了利用时域反射测量法所确定的数据；用于确定第一缆线区段5′和第二缆线区段5″的连接接口12上的电介质变化；以及用于补偿第一缆线区段和第二缆线区段的连接接口上的电介质变化。因此，将电子设备单元9设计为，将信号馈入到缆线5中并检测位于井2中的水10的表面4上的反射信号，并从该反射信号中利用时域反射测量法来确定井2中的液位11或者说填充状态11，就像下面详细说明的那样。

在泵3停机期间或者在泵3初次投入运行之前或期间，也就是说在变频器14不起作用并且没有电流提供给位于泵3内部的电动马达8期间，电子设备单元9将一信号发送到缆线5的铜线中或者说发送到第一缆线区段5′和第二缆线区段5″中。该信号例如是振幅为5v的脉冲序列。然后，电子设备单元9测量直到该信号的振幅发生变化时的时间。该变化刚好发生在部位15上，该部位是缆线5从水10中出来并然后被空气围绕的地方。刚好在该点15上，也就是在水/空气的过渡部上，缆线5内部的电介质参数会由于从水到空气的电容性泄漏(leckage)上的变化而发生变化，这点又造成缆线上的信号振幅的提高。从该振幅上的变化何时发生的信息中，也就是从信号发送直到变化发生(该变化被包括在所检测到的反射信号中)的时间间隔中，可以计算出直至电子设备单元9或者马达8的缆线的长度，该长度基本上对应于井2中的液位11。液体、在此水10的介电常数明显大于位于填充有水10的井2上方的空气的电介质常数。

但是，替代于在泵3停机期间执行上述测量，还可以在泵3通过变频器14被操控、即运行时执行该测量。由电子设备单元9发出的或者被馈入到缆线5中的、用于确定液位的测量信号于是是一被编码的信号并典型地具有兆赫范围内的频率。通过对信号编码，可以消隐由变频器14或其它的装置或电动马达8本身所引起的噪声。

在如图5所示的框图中，电子设备单元9相对于电源7和电动马达8之间的电力供应设置不是串联地设置，而是并联设置，确切地说是经由耦合构件22并联设置。该耦接通过电容为4.7nf的y-电容器22进行。在此，通过其不仅是进行了测量信号的耦接，也就是脉冲序列的发送和对一个或多个反射信号的接收，而且还进行了数据传输，也就是将电子设备单元9中确定的填充状态11传输到电动马达8的控制器17上。在此，不仅进行了测量信号的耦合和解耦，而且进行了传输到向泵机组供电的缆线5的引导电流的导体中的数据通信。电子设备单元9和控制器17之间的数据通信通过can总线进行，但是也可以通过其他的通信协议来执行。为了滤除从电动马达8发出的干扰信号，在电动马达8和耦合构件22之间设有滤波器20。在另一端部上设有缆线端部滤波器19，其滤除来自于网络或变频器14的可能的干扰信号。

替代地可以在缆线5中设置一单独导体，其仅被确定用于测量信号的耦合和解耦以及用于数据通信。于是能够进行直接耦合，于是可以在很大程度上取消干扰滤波器19、20。电子装置为此还包括在图中未示出的通信单元。

为了改善测量到的信号的品质进而从整体上进一步改善测量，可以在测量期间关停电动马达8，也就是泵9被无驱动地联接。在此情况下避免了由电动马达8所引起的电噪声，从而不会因此影响到测量到的信号、也就是反射信号。

在此，借助于电子设备单元9不仅探测井2中的液位11，而且还将电子设备单元9设计为，当所探测到的液位低于大致与泵机组1结构高度相应的最小值时或者当液位完全不可确定时，泵3、也就是电动马达8被关断，以便通过这种方式防止干运行。由此可以完全放弃使用独立的干运行传感器。

图2a至图2d示出了在不同填充状态、例如如图1中所示的液位11下的测量结果的图表，图1中所示的液位就是利用上述的方法确定的。

所执行的测试首先是在一个70米深的井中，例如在图1中示出的井2中被执行，其中，正如平常在这种类型的井应用中所使用的那样采用了150米长的电力缆线。多余的缆线长度在此是在井外面沿着地表面延伸。在此情况下，在从水过渡到空气或者反过来从空气过渡到水的位置上所测得的是3％的信号电平。所测得的信号电平梯度(signalstufengradient)随着液位11到泵机组1的距离而降低。因此，信号电平梯度dv/dt应该被保持得尽可能得大、也就是尽可能得陡。在该实施例中，dv/dt小于或等于每纳秒1伏。由于该水位测量是相对于泵机组1执行的，因此能够非常可靠和精确地确定低液位11。如果电力缆线没有被足够地限定，则测量误差会随着液位11的上升而增加。为了特别是在高水位时减少测量误差，存在如下这样的可能性，即，可以在电力缆线上安装作为高度指示的标记，这些标记可以例如由硬塑料海绵或紧贴的金属套筒16、16′、16″来实现。

在图2a、图2b、图2c和图2d中示出的测量结果分别代表关于时间的信号振幅(电压)，这些测量结果是基于以下的配置得到的：在该配置中，在泵3(见图1)的内部设置或者说安装tdr(时域反射测量法，英文：time-domainreflectometry)测量电子装置。正如在这里能够看到的那样，在图2a中示出的测量是在泵上方液位为0米时执行的。与此相反，图2b涉及的是泵上方水的液位为21.1米时的测量，图2c涉及的是泵上方水的液位为43.1米时的测量，图2d涉及的是泵3上方水的液位为67.3米时的测量。如图2b至图2d能够看到那样，在水/空气的过渡部上可以看到测量曲线有一具有阶跃的升高，从该具有阶跃的升高中于是可以推导出水柱或液位的高度。

总的来说，这种根据本发明的用于确定井2或容器(其中设置有潜水泵机组1)中的液位11的配置方案除了已经提到的这些优点之外还具有许多其他的优点。例如获得了相对于外部影响的相当大的耐用性。公差可以根据要求通过在已知的位置上设置基准反射器/标记和/或通过设置缆线类型的相应信息进行适配。另一方面，借助于标记16和周期性进行的校准进程可以确定系统的变化，例如液体侵入到连接元件13或缆线15中、缆线5上的沉积物、缆线5的损坏和泵的干运行。当针对非常短的时间周期、特别是短至甚至不会影响到电动马达地切断电流时，可以改善信号/噪声比。如果缆线是已知的，则电脉冲的变化速度可以被预先设定。

在根据图1所示的泵机组1中，电动马达8、泵3和电子设备单元9被布置在共同的壳体21中，缆线接近于底侧支撑面地从该壳体离开。正如根据图4针对钻孔泵细节示出那样的这种设计方案在新设计的情况下一般是优选的。如图3所示的实施方式变型与其的不同之处在于，在如图3所示的实施方式变型中，在机组壳体21的内部只设置有泵3、电动马达8以及马达电子装置的可能会位于那里的部件，但是电子设备单元9在该壳体的外侧面上被设置在一单独壳体中。这种布局方案适用于：在液位测量方面能够以很低的费用对现有的设计进行改造。最后，正如开始已经说明的那样，电子设备单元9也可以被设置在一个(在图中未示出的)壳体内部，该壳体构成连接元件13的或者第二缆线区段5″的部件。然后，潜水泵机组可以根据对缆线选择的不同而被可选地设计为带或不带传感装置。

在根据图4所示的钻孔泵中，电动马达8、泵3和电子设备单元9被设置在柱体形壳体21中，在此，电子设备单元9是位于该壳体中的马达电子装置的部件。缆线5在该壳体的底侧上被引出并在壳体侧向上贴靠在壳体上地向上被引导。在壳体21内部，电动马达8向上连接到电子设备单元9上，电动马达驱动设置在其上面的、在此两级式的离心泵3。对液体的抽吸通过位于电动马达8和泵3之间区域中的壳体21的柱体形壁中的缺口进行，而排出则通过位于壳体21顶侧上的排出接头23进行，在该排出接头上连接供给管道8。在这种泵中，适宜地在泵壳体21上方，在缆线5上设置第一标记，该第一标记代表最低填充状态，在低于该最低填充状态时将确定发生干运行并关断泵机组。为了能够随着相对于泵的距离增加而提高液位指示的准确度，按照适宜的方式以明显间隔的方式设置其他的标记。

对测量装置的校准例如可以借助于安装在缆线5外侧上的三个以金属环16、16′和16″形式的标记进行。这些环彼此之间和相对于泵的距离已经预先被测量，从而使得在脉冲序列形式的测量信号被耦合到缆线5中时，可以以时间间隔方式获得环16、16′和16″的反射信号。然后，将在此相互关系中测得的运行时间与预先测得的长度相互关联在一起，之后能够相应地确定液体表面11上的反射信号的运行时间。为了能尽可能地在整个缆线长度上实现准确测量，在缆线上以适当间隔的方式设置适当数量的标记。