DE4027027C2 - Verfahren zur Erkennung einer Bruchstelle in einer Membran und Membranfördereinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung ei­ ner Bruchstelle in einer aus mindestens zwei Einzelmem­ branen bestehenden Membran einer Membranfördereinheit und eine Membranfördereinheit.

Es sind beispielsweise aus DE-OS 26 20 228 Kolbenmem­ branpumpen bekannt, deren Membran aus mindestens drei aufeinanderliegenden Einzelmembranen besteht. Der Zwi­ schenraum zwischen den Einzelmembranen ist mit einer Pufferflüssigkeit angefüllt. Die mittlere Membran ist mit Schlitzen versehen, die über eine Bohrung mit einer Anzeigevorrichtung in Verbindung stehen, die einen Mem­ branbruch signalisiert. Bei einem Membranbruch tritt in den Zwischenraum der Membran zusätzlich Förder- oder Hydraulikflüssigkeit, die auf die Anzeigevorrichtung einwirkt. Dabei kommt es zu Vermischungen zwischen För­ der- oder Hydraulikflüssigkeit 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 außer­ halb der Pumpengehäuse sehr anfällig gegen Abknicken oder Quetschen, wodurch sie im Laufe der Zeit undicht werden.

Aus US-PS 3 661 060 ist ein Verfahren zur Erkennung einer Bruchstelle einer aus mindestens zwei Einzelmem­ branen bestehenden Membran einer Membranfördereinheit bekannt, bei dem eine durch die Bruchstelle in der Mem­ bran bedingte Druckerhöhung mit Hilfe einer Druckerfas­ sungseinheit erfaßt wird. Zwischen den beiden Einzel­ membranen ist eine Mittelplatte angeordnet, die entwe­ der eine Nut oder Perforationslinien aufweist. Die mittlere Platte hat gegenüber den Einzelmembranen einen verminderten Durchmesser. Die Nut oder die Perfora­ tionsschlitze stehen über eine Leitung mit einem Druck­ messer und weiter über eine Leitung mit einem Druck­ schalter in Verbindung. Wenn nun eine der beiden Ein­ zelmembrane bricht, strömt entweder das Arbeitsfluid oder das zu fördernde Fluid durch die Nut oder die Per­ forationsschlitze in die Leitung zum Druckmesser, so daß der Druckanstieg am Druckmesser sichtbar wird. Fer­ ner kann der Druckschalter die weitere Förderung des Arbeitsfluids unterbrechen.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hil­ fe Bruchstellen in einer Membran einer Membranförder­ einheit auf einfache Weise sicher erkannt werden kön­ nen.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Die Erfassungseinheit ist dabei in die Membran inte­ griert, oder unmittelbar an ihr installiert. Dadurch entfallen zum einen mechanische Übertragungsmittel, wie Pufferflüssigkeiten, die eine durch einen Membranbruch bedingte Druckerhöhung zu einer Erfassungseinheit über­ mitteln, zum andern aber auch anfällige Druckleitungen von der Membran zu einer Erfassungseinheit für die Über­ tragungsmittel. Ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Erfassungseinheit auch im Gehäuse der Membranför­ dereinheit integriert, so führt lediglich ein elektri­ scher Anschluß nach außen. Die Erfassungseinheit ist mechanisch geschützt. Es wird eine Verformung der Mem­ bran in einem vorbestimmten Bereich erfaßt. Durch die durch eine Bruchstelle oder allgemein Beschädigung ei­ ner Einzelmembran bedingte Druckerhöhung in der Membran dehnt sich die Membran, so daß dieses Phänomen zur Er­ kennung von Bruchstellen oder Beschädigungen in der Membran bei der vorliegenden Erfindung herangezogen wird.

Die Aufgabe wird auch durch eine Membranfördereinheit nach Anspruch 2 gelöst.

Beispielsweise herrscht in dem Raum zwischen den beiden Einzelmembranen ein absoluter Druck von 0,3 bar oder ein Unterdruck gegenüber Atmosphäre von 0,7 bar. Bei einer Membranfördereinheit wird ein Hubvolumen einer Hydraulikflüssigkeit an die Förderflüssigkeit weiterge­ geben. Der Druckhub wird innerhalb der Membran durch die Berührung der Einzelmembrane durch mechanische Kopplung übertragen, während der Saughub durch den Un­ terdruck zwischen den Einzelmembranen weitergeleitet wird. Dabei ist der Raum zwischen den Einzelmembranen 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 Mem­ bran von Unterdruck zu Förder- oder Arbeitsflüssig­ keitsdruck ändern. Es kann sogar zeitweilig Überdruck auftreten. Dieser Druckanstieg kann indirekt durch die aus ihm folgende Verformung der Membran ermittelt wer­ den. Der dynamische Bereich der Membran führt entspre­ chend der Bewegung der Hydraulikflüssigkeit eine oszil­ lierende Bewegung aus, während der statische Bereich dieser Bewegung nicht folgt. Da über den dynamischen Bereich die Förderung einer Flüssigkeit erfolgt, ist dieser Bereich der Arbeitsbereich der Membran. Die Trennung in die beiden Bereiche erleichtert die Fehler­ erfassung, da jede Zustandsänderung im statischen Be­ reich ungewollt ist und auf einen Fehler hinweist. Der dynamische Bereich bildet ein geschlossenes System. In dem statischen Bereich ist ein Meß- bzw. Signalbereich vorgesehen, in dem die Verformung erfaßt werden kann. In dem statischen Bereich sind Messungen sicherer und schneller durchzuführen.

Besonders bewährt hat es sich, daß die äußeren Einzel­ membrane aus einem Trägermaterial bestehen, die gegebe­ nenfalls flüssigkeitsseitig mit einer PTFE-Folie ver­ bunden sind. Durch diese Ausgestaltung wird die Stabi­ lität der äußeren Einzelmembrane erhöht. Als Trägerma­ terial eignet sich beispielsweise Neopren, mit dem ins­ besondere auf der Außenseite, die der Förderflüssigkeit zugewandt ist, eine PTFE-Folie verklebt oder aufvulka­ nisiert 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 Einzelmembra­ nen und ist mit keiner der äußeren Einzelmembrane ver­ bunden. Sie liegt lose dazwischen und verhindert auf diese Weise, daß die Trägermaterialschichten der äuße­ ren Einzelmembrane aneinander haften oder gar mitein­ ander verkleben, so daß im Falle eines Membranbruchs eine Druckerhöhung im Innenraum der Membran ungehindert und unmittelbar wirksam werden und die Druckerfassungs­ einheit beaufschlagen 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 Pum­ pengehäuse 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. 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 Mem­ bran.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß eine Erfassungseinheit zur Erfassung der Verformung im statischen Bereich vorgesehen ist. Der Druckanstieg wird über die Verformung von der Erfassungseinheit di­ rekt in oder an der Membran erfaßt, bevor die Membran vollständig durchbrochen ist und eine Vermischung von Hydraulikflüssigkeit und Förderflüssigkeit erfolgt ist. Die Aufteilung der Membran in einen dynamischen und einen statischen Bereich sowie die Anordnung der Erfas­ sungseinheit im statischen Bereich hat den Vorteil, daß die Erfassungseinheit und deren Verbindung vom Innen­ raum des Gehäuses nach außen keinen dynamischen Bela­ stungen ausgesetzt ist, die die Lebensdauer der Erfas­ sungseinheit beeinträchtigen könnten.

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

Mit Vorteil ist der Kontaktschalter durch Plättchen aus elektrisch leitendem Material gebildet, die in den äu­ ßeren Einzelmembranen angeordnet sind und, gegebenen­ falls durch eine Durchbrechung in der inneren Einzel­ membran, miteinander in Berührung stehen. Bei einem Druckanstieg in dem Raum zwischen den Einzelmembranen werden sich die Einzelmembrane geringfügig voneinander entfernen und den Kontakt zwischen den beiden Plättchen unterbrechen. Die dadurch bewirkte Unterbrechung eines Stromflusses kann unmittelbar als Membranbruch-Erken­ nungssignal verwendet werden.

Als weitere, indirekte Möglichkeit zur Erkennung der Druckänderung infolge eines Membranbruchs ist es mög­ lich, daß die Erfassungseinheit als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet ist. Auch bei dieser Meßmethode wird die Druckerhöhung 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 aus­ gewertet 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 Mehrschichtmembran in der Draufsicht,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Mehrschichtmem­ bran 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 Mehrschichtmembran 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 Mehr­ schichtmembran mit einem alternativen Kon­ taktschalter,

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

Fig. 9 einen Ausschnitt aus einer Mehrschichtmembran mit einem Dehnungsmeßstreifen,

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 9.

Fig. 1 bis 4 zeigen eine Mehrschichtmembran 1, die ei­ nen Förderraum X von einem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Hydraulikraum Y einer nicht näher dargestell­ ten Membranförderpumpe trennt. Die Membran 1 weist ei­ nen Einspannbereich 2, einen dynamischen Bereich 3 und einen statischen Bereich 4 auf. Am Einspannbereich 2 wird die Membran 1, beispielsweise zwischen einem Ge­ häuse 7 und einem Pumpendeckel 8 der nicht näher darge­ stellten Membranförderpumpe eingespannt (vgl. Fig. 2). Der dynamische Bereich 3 entspricht dem Arbeitsbereich der Membran 1, der oszillierende Bewegungen ent­ sprechend 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 dynamischen Bereich 3 mit dem statischen Bereich 4, in dem ein Meß-Signalbe­ reich 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 Pum­ pendeckels 8 im Einspannbereich 2 verzichtet. Die in der Zeichnung dargestellte Membran 1 ist aus drei Ein­ zelmembranen 9, 10, 11 aufgebaut. Die Einzelmembran 9 besteht aus einer PTFE-Schicht 12, die mit einem Trä­ germaterial 13, beispielsweise Neopren, verbunden ist. Die PTFE-Schicht 12 ist auf der Außenseite der Einzel­ membran 9 angeordnet, die mit der Förderflüssigkeit in Kontakt kommt. Sie erstreckt sich bis in den unteren Einspannbereich 2. Die Einzelmembran 10 ist eine PTFE-Schicht, mit einer Stärke von ca. 0,12 mm. Die Einzel­ membran 11 besteht aus einem Trägermaterial, beispiels­ weise Neopren. Die Einzelmembran 10 verhindert, daß die zwei Einzelmembrane 9, 11 miteinander verkleben. Im Einspannbereich 2, sowie am äußeren Rand des statischen Bereichs 4 sind die Einzelmembrane 9, 10, 11 miteinan­ der verklebt oder vulkanisiert, wie dies in Fig. 3 mit einer Wellenlinie angedeutet ist.

Fig. 5 und 6 zeigen schematisch eine erste Variante eines Kontaktschalters 14, der einen Membranbruch er­ kennt 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 beidsei­ tig der Membran angeordnet sind und über eine Durchbre­ chung der Membran 1 miteinander in Kontakt stehen. Die Metallplättchen können in die Einzelmembrane 9, 11 ein­ geklebt oder einvulkanisiert sein. Ihre Befestigung in den Einzelmembranen 9, 11 darf die Druckdichtigkeit des Raumes zwischen den Einzelmembranen 9, 11 nicht beein­ flussen. Bei einem Membranbruch wird infolge einer Mem­ brandehnung der Kontakt unterbrochen. Ein Signal S "Membran gebrochen" 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 Membran­ bruch ein Kontakt geschlossen. Die bei einem Membran­ bruch in dem Raum zwischen den Einzelmembranen 9, 11 erfolgende Druckerhöhung bewegt die Einzelmembran 9 gegen einen Kontakt des Druckschalters 16, der nach einem vorbestimmten Weg schaltet, also eine elektrische Verbindung herstellt.

In Fig. 9 und 10 ist ein Dehnungsmeßstreifen 22 sche­ matisch dargestellt. Hier wird der Druck über die Deh­ nung der Membran 1 erfaßt und angezeigt. Bei innerer Druckerhöhung dehnt sich die Membran 1, sowohl im dyna­ mischen 3 als auch im statischen 2 Bereich aus.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erkennung einer Bruchstelle in einer aus mindestens zwei Einzelmembranen bestehenden, einen Arbeitsbereich, einen Einspannbereich und einen sich daran nach außen anschließenden stati­ schen Bereich aufweisenden Membran einer Membran­ fördereinheit, bei dem eine durch die Bruchstelle in der Membran bedingte Druckerhöhung in dem stati­ schen Bereich (4) der Membran mittels einer Verfor­ mung der Membran erfaßt wird.

2. Membranfördereinheit mit einer aus mindestens zwei Einzelmembranen, die an ihrem Rand fest miteinander verbunden sind und wobei zwischen den Einzelmembra­ nen (9, 11) ein druckloser Zustand oder ein Unter­ druck herrscht, bestehenden Membran, zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen Ar­ beitsbereich (3), einen Einspannbereich und einen sich daran nach außen anschließenden statischen Be­ reich (4) aufweist, wobei zwischen dem Arbeitsbe­ reich und dem statischen Bereich ein Verbindungs­ kanal (5) angeordnet ist und bei einem Druckanstieg zwischen den Einzelmembranen (9, 11) im Arbeitsbe­ reich (3) mindestens eine der Einzelmembranen (9, 11) in dem statischen Bereich (4) verformbar ist.

3. Membranfördereinheit nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußeren Einzelmembrane (9, 11) aus einem Trägermaterial (13) bestehen, die gegebenenfalls flüssigkeitsseitig mit einer PTFE-Folie (12) verbunden sind.

4. Membranfördereinheit nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den äußeren Ein­ zelmembranen (9, 11) mindestens eine weitere Ein­ zelmembran (10), vorzugsweise aus PTFE, angeordnet ist.

5. Membranfördereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmembranen (9, 10, 11) an ihrer Peripherie vulkanisiert oder miteinander verklebt sind.

6. Membranfördereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erfassungsein­ heit (14, 16, 22) zur Erfassung der Verformung im statischen Bereich (4) vorgesehen ist.

7. Membranfördereinheit nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erfassungseinheit als Kon­ taktschalter (14, 16) ausgebildet ist.

8. Membranfördereinheit nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kontaktschalter (14) durch zwei in den äußeren Einzelmembranen (9, 11) ange­ ordnete Plättchen aus elektrisch leitendem Material gebildet sind, die miteinander in Berührung stehen.

9. Membranfördereinheit nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erfassungseinheit als Deh­ nungsmeßstreifen (22) ausgebildet ist, der eine Verformung der Oberfläche der Membran ermittelt.