Verfahren zur Detektion des Betriebszustandes einer rotierenden Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion des Betriebszustandes einer rotieren- den Maschine, insbesondere einer Kreiselpumpe, mit einem ersten Temperatursensor zur Erfassung einer Temperaturänderung in bzw, an wenigstens einem Lagerbereich eines rotierenden Maschinenelementes.

Zur Überwachung und Wartung von Maschinen ist es wünschenswert, Informationen zur Betriebsdauer sowie erfolgte Ein- und Ausschaltzyklen rotierender Elemente bereit- stellen zu können. Anhand dieser Informationen lässt sich der aktuelle Verschleiß sowie die verbleibende Lebensdauer der Maschine bzw. von Einzelkomponenten abschätzen. Am einfachsten ist es, wenn die Maschine entsprechende Informationen selbst im Be- trieb sammelt und für den externen Abruf bereithält.

In der Praxis wird jedoch die notwendige Sensorik zur unmittelbaren Erfassung der Be- triebsdauer bzw. der Ein- und Ausschaltvorgänge nicht immer bereitgehalten, sei es aus Kostengründen oder auch, weil eine invasive Einbringung der Sensoren an entspre- chenden Messstellen nicht immer trivial ist. Ein Beispiel sind hier abgedichtete Pumpen bzw. Nassläufer. Für solche Spezialfälle ist es bereits bekannt, Betriebs- und Stillstand- zeiten anhand gemessener Maschinenvibrationen zu erfassen. Hierbei werden Schwin- gungssignale im Bereich der Maschine ausgewertet. Eine solche Auswertung eignet sich jedoch nicht für jede Maschine, denn je nach Einsatzbereich und Maschinentyp kommt es zu starker Beeinflussung der messbaren Schwingungen durch die Umgebung oder aber die messbaren Schwingungen sind so klein, so dass nur vage Schätzungen möglich sind.

Als Alternative zur Schwingungsmessung wird im Stand der Technik bereits vorgeschla- gen, die gemessene Maschinentemperatur als Indikator für den aktuellen Betriebszu- stand heranzuziehen. Bisherige Implementierungen genügen allerdings noch nicht den qualitativen Anforderungen und sind daher verbesserungswürdig.

Die vorliegende Anmeldung setzt sich daher zum Ziel, die zuletzt genannte Lösung zu optimieren, um eine verbesserte Auswertung des Betriebszustands zu ermöglichen und um gegebenenfalls weitere Erkenntnisse aus der Auswertung ableiten zu können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Detektion des Betriebszustandes einer rotie- renden Maschine vorgeschlagen. Als rotierende Maschine wird jede Maschine verstan- den, bei der mindestens ein Maschinenelement um eine Rotationsachse relativ zu übri- gen Maschinenkomponenten rotiert, wie dies beispielsweise bei jedem Rotationsantrieb der Fall ist. Das rotierende Bauteil ist hier über wenigstens ein Lager drehbar an den übrigen Maschinenkomponenten gelagert. Besonders bevorzugt ist der Einsatz des Verfahrens bei einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, die eine rotierende Pumpenwelle umfasst, die über ein oder mehrere Lager im oder am Pumpengehäuse drehbar gelagert ist. Die Erfindung soll jedoch keinesfalls auf einen konkreten Maschi- nentyp beschränkt sein, sondern der erfindungsgemäße Grundgedanke ist unabhängig vom Maschinentyp anwendbar.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ein erster Temperatursensor eingesetzt wird, der durch die Rotation des rotierenden Elementes hervorgerufene Tem- peraturänderungen während des Betriebs der Maschine erfassen kann, und zwar sol- che, die durch die Lagerreibung, die Reibung an Dichtungen sowie durch Einflüsse des geförderten Mediums und/oder der Umgebung bedingt sind. Erfindungsgemäß ist vor- gesehen, eine Temperaturänderung im Bereich des Lagers, also in räumlicher Nähe der Lagerung, insbesondere an einer lagernahen Oberfläche, zu erfassen. Es lassen sich also anhand der aufgezeichneten Temperatursignale, d.h. der sensorisch gemessenen Temperatur, Temperaturänderungen erfassen, die durch den Betrieb der Maschine un- ter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen verursacht werden. Der Temperatur- sensor misst üblicherweise wiederholend die aktuelle Temperatur und stellt diese der Auswerteeinheit zur Verfügung. Aus den Einzelmessungen ergibt sich ein Temperatur- verlauf. Erfindungsgemäß werden durch die Auswerteeinheit nun nicht mehr nur einfa- che Temperaturwerte betrachtet, sondern stattdessen erfolgt eine Gradientenauswer- tung des aufgezeichneten Temperaturverlaufs. Konkret wird also die Charakteristik ei- nes etwaigen Temperaturanstiegs oder Temperaturabfalls betrachtet. Anhand der spe- zifischen Charakteristik lässt sich dann ein Ein- oder Ausschaltvorgang der Maschine erkennen. Denkbar ist es natürlich, dass Teile der Logik der Auswerteeinheit auch direkt durch den Temperatursensor ausgeführt werden, so dass dieser beispielsweise direkt etwaige Temperaturänderungen erfasst und an die Auswerteeinheit ausgibt. Möglich ist natürlich auch die vollständige Integration der Auswerteeinheit in den Temperatur- sensor. Der erfindungsgemäßen Idee liegt die Überlegung der Erfinder zugrunde, dass sich die Temperatur im Bereich wenigstens eines Lagers in Abhängigkeit des Maschinenzustan- des ändert. Die mögliche Temperatur im bzw. am Lagerbereich hängt natürlich von der Betriebsdauer als auch der Maschinenlast ab. Allerdings wurde bei ausführlichen Unter- suchungen durch die Erfinder festgestellt, dass es zu einer kurzzeitigen vergleichsweise raschen Temperaturänderung im Moment des Ein- bzw. Ausschaltvorganges kommen kann. Durch eine Gradientenbetrachtung des Messverlaufs kann ein solches Phänomen erkannt und ein entsprechender Ein- oder Ausschaltvorgang erfasst werden.

Eine solche Temperaturänderung mit vergleichsweise großem Gradienten tritt im regu- lären durchgehenden Betrieb im Regelfall nicht auf, d.h. auch praxisübliche Tempera- turschwankungen während des Dauerbetriebs als auch während Laständerungen füh- ren nicht zu einem vergleichbaren Gradienten. Vor diesem Hintergrund ist es möglich, anhand der Gradientenbetrachtung eine zuverlässige Detektion des aktuellen Betriebs- zustandes der Maschine zu erreichen.

Gemäß dem Verfahren wird die Temperatur kontinuierlich oder diskret mit definierter Messfrequenz oder in spezifischen Messintervallen erfasst. Der daraus abgeleitete Temperaturverlauf wird einer Gradientenbetrachtung unterzogen, wobei insbesondere solche Gradienten in den Fokus rücken, die innerhalb kürzester Zeit eine herausste- chende Temperaturänderung zeigen, d.h. der Gradient überschreitet eine definierte Mi- nimalsteigung, d.h. eine minimale Temperaturänderung pro Zeiteinheit

Vorzugsweise schließt die Auswerteeinheit auf einen erfolgten Ein- und/oder Ausschalt- vorgang der Rotationsbewegung der Maschine, wenn der betrachtete Gradient einen Mindestwert überschreitet bzw. innerhalb eines definierten Wertebereichs liegt. Dies entspricht der vorangehenden Erkenntnis, wonach eine durch einen Ein- bzw. Aus- schaltvorgang verursachte Temperaturänderung einen höheren Gradienten als lastbe- dingte bzw. betriebsbedingte Temperaturänderungen aufzeigt. Denkbar ist hier auch eine Definition mehrerer Mindestwerte (Schwellwerte) oder Wertebereiche. Beispiels- weise wird bei Überschreiten eines unteren Mindestwertes ein Schaltvorgang erkannt, während ein höherer Schwellwert dann eine Differenzierung zwischen Ein- und Aus- schaltvorgang ermöglicht, d.h. überschreitet der betrachtete Gradient auch den oberen Schwellwert wird bspw. auf einen ausgeführten Ausschaltvorgang geschlossen.

Technisch kann dieses Phänomen dadurch erklärt werden, dass nach dem Ausschalten der Rotationsbewegung die betriebsbedingte Maschinenerwärmung nicht durch den während der Rotationsbewegung verursachten Luftmassestrom gekühlt wird, sodass die Temperatur zunächst zunimmt und erst mit gewisser Verzögerung wegen des Ma- schinenstopps auf eine niedrigere Temperatur, bspw. die Umgebungstemperatur abfällt. Ein ähnliches Verhalten kann bei einem Anschaltvorgang beobachtet werden. Hier be- findet sich die Maschine zunächst üblicherweise auf dem Temperaturniveau der Umge- bung. Wird die Rotation der Maschine aktiviert, so kommt es aufgrund der entstehenden Luftmassebewegung zu einem Kühleffekt, der einen kurzzeitigen Abfall der Temperatur im Lagerbereich bewirkt, die besonders deutlich an der Oberfläche des Lagerträgers zu Tage tritt. Das Temperaturniveau steigt erst wieder mit zunehmender Betriebsdauer aufgrund der regulären Lagerreibung an. Die zuvor genannten Phänomene während des Schaltvorgangs können in ihrer Ausprägung noch dadurch bestärkt werden, wenn ein zusätzlicher Lüfter innerhalb der rotierenden Maschine installiert ist, der während der Rotationsbewegung einen höheren Luftmassestrom zur Kühlung etwaiger Maschi- nenkomponenten bereitstellt, während Stillstandzeiten jedoch ausgeschaltet ist.

Gemäß bevorzugter Ausführung wird durch den ersten Temperatursensor die Tempera- tur am Lagerträger, insbesondere an der Oberfläche des Lagerträgers, erfasst. Der Sensor kann hierzu unmittelbar im Bereich des Lagers bzw. am Lagerträger montiert sein. Eine Montage außen am Lagerträger hat den Vorteil, dass kein invasiver Eingriff in die Maschinenstruktur notwendig ist, was insbesondere bei abgedichteten Kreiselpum- pen von besonderer Bedeutung ist. Entscheidend für die Positionierung des Tempera- tursensors ist jedoch, dass sich hierdurch betriebsbedingte Temperaturänderungen, d.h. Temperaturänderungen, die durch Lagerreibung, Reibung an Dichtungen oder durch das geförderte Medium verursacht werden, zuverlässig erfassen lassen. Als nachteilig hat sich dagegen herausgestellt, die Temperatur unmittelbar im Lager zu er- fassen, indem der Sensor direkt in das Lager integriert wird. Neben einer damit einher- gehenden aufwändigen Integration eines kleinen und dadurch kosten intensiven Sen- sors, lassen sich im Lager die Temperaturänderungen, die auf die Änderungen der Be- triebs- und/oder Umgebungsbedingungen zurückzuführen sind, nicht mit ausreichender Genauigkeit detektieren. Der Vorteil der erfindungsgemäßen nicht invasiven, lagerna- hen Messstelle liegt in deren einfacher und kostengünstiger Implementierungsmöglich- keit. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Erkenntnis, dass die Temperaturänderungs- effekte bei Veränderung der Betriebsbedingungen wie Zu- und Abschaltung außerhalb, insbesondere an der Lagerträgeroberfläche, deutlicher auftreten als im Lager selbst. Idealerweise wird die Temperatur an einer von außen zugänglichen Stelle des Lagerträ- gers, insbesondere an einer Oberfläche des Lagerträgers, erfasst. Der wenigstens eine Mindestwert bzw. der wenigstens eine definierte Bereich für die Beurteilung des Gradienten, insbesondere ob dieser einen Ein- bzw. Ausschaltvorgang charakterisiert, muss selbstverständlich maschinenabhängig definiert werden. Ein ent- scheidender Einflussfaktor ergibt sich durch die Maschinengröße bzw. den Anteil des temperaturleitfähigen Materials des Maschinenvolumens, denn je größer die Tempera- turleitfähigkeit ist, desto besser können die Wärme abgeführt und Temperaturänderun- gen kompensiert werden. Auch sind gegebenenfalls Umwelteinflüsse zu berücksichti- gen. Damit wird ein entsprechender Mindestwert bzw. Mindestbereich in Abhängigkeit von dem temperaturleitenden Maschinenvolumen als auch der konkreten Geometrie der Maschine und/oder der Umgebungsbedingungen der Maschine definiert, wobei der Grenzwert mit zunehmender Größe/Leitfähigkeit reduziert wird. Denkbar ist hier ein durch die Auswerteeinheit ausgeführter adaptiver Lernprozess zur Optimierung der ein oder mehreren Mindestwerte bzw. Bereiche.

Bei der Betrachtung des Temperaturverlaufs kann jedoch nicht nur der Gradient Er- kenntnisse über den Maschinenzustand liefern, sondern die Auswerteeinheit kann ebenfalls das Vorzeichen des Gradienten als auch den Betrag der maximalen Tempera- turänderung des betrachteten Gradienten berücksichtigen, d.h. die durch den Gradien- ten bedingte Temperaturdifferenz. Der Betrag der maximalen Temperaturänderung als auch das Vorzeichen des Gradienten können als Indikator dienen, um zwischen unter- schiedlichen Schaltvorgängen differenzieren zu können, d.h. um unmittelbar anhand des Gradienten und unabhängig von der Kenntnis des vorhergehenden Maschinenzu- standes feststellen zu können, ob die Maschine ein- oder ausgeschaltet wurde. Wie vor- stehend erläutert, kann der Gradient für einen Einschaltvorgang aufgrund des kurzfristi- gen Temperaturabfalls zunächst ein negatives Vorzeichen aufweisen, während der Gra- dient eines Abschaltvorgangs zunächst ein positives Vorzeichen aufweist. Auch der Gradientenwert selbst, d.h. die Höhe des detektierten Gradientenwertes, kann zur Diffe- renzierung zwischen Ein- und Ausschaltvorgang betrachtet werden, denn ein Ausschalt- vorgang zeigt, wie durch die Erfinder experimentell ermittelt wurde, einen höheren Gra- dientenwert als ein Einschaltvorgang. Ebenso kann die Dauer der anhaltenden maximalen Temperaturänderung eine Rolle spielen, denn wie bereits vorstehend beschrieben folgt auf eine rapide Temperaturän- derung, hervorgerufen durch einen Schaltzyklus, innerhalb kürzester Zeit eine erneute Temperaturänderung in entgegengesetzter Richtung. Die Berücksichtigung dieses Ver- haltens, d.h. die Peakdauer der maximalen Temperaturänderung fördert die zuverläs- sige Erkennung des Schaltzyklus. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Auswerteeinheit anhand des Betrages der ma- ximalen Temperaturänderungen und/oder Gradientenhöhe nicht nur Schaltzustände er- kennt, sondern ebenfalls Aussagen über aktuelle Maschinenlast und/oder etwaige Ver- schleißerscheinungen an der Maschine treffen kann. Insbesondere kann davon ausge- gangen werden, dass eine Änderung des Maximalbetrags der Temperaturänderung und/oder des beobachteten Gradientenbetrages gegenüber vorangehenden Schaltzyk- len einen Hinweis auf eine Laständerung bzw. zunehmenden Verschleiß an der Ma- schine, insbesondere im Bereich des erfassten Lagers darstellen kann. Beispielsweise kommt es bei einer Zunahme der Last bzw. bei zunehmenden Verschleiß an der Ma- schine, insbesondere im Bereich des erfassten Lagers, zu einer Zunahme des Maximal- betrage der Temperaturänderung und/oder des beobachteten Gradientenbetrages ge- genüber vorangehenden Schaltzyklen, denn Lagerverschleiß führt zu einer erhöhten Lagerreibung, was sich gleichermaßen im Gradienten als auch der maximalen Lager- temperatur wiederfindet. Demgegenüber kann es bei einer Verringerung der Maschi- nenlast auch zu einer Abnahme des Maximalbetrags der Temperaturänderung und/oder des beobachteten Gradientenbetrages gegenüber vorangehenden Schaltzyklen kom- men.

Grundsätzlich können mehrere Temperatursensoren zur Erfassung einer von wenigs- tens einem Lager eines rotierenden Maschinenelementes ausgehenden Temperaturän- derung eingesetzt werden. Dabei können natürlich pro lagernaher Messstelle, also einer Messstelle im bzw. am Lagerbereich, mehrere Sensoren verwendet werden, idealer- weise wird jedoch pro lagernaher Messstelle ein Temperatursensor verwendet. Die Ver- wendung mehrerer Temperatursensoren kann auch aus Redundanzgründen sinnvoll sein, denn der von den Erfindern entdeckte Effekt tritt natürlich an jeder lagernahen Messstelle für das rotierende Maschinenelement auf. Ein weiterer Vorteil bei der Ver- wendung eines Sensors pro verbautem Lager besteht darin, dass hierdurch natürlich auch eine Verschleißüberwachung für jedes einzelne Lager möglich wird. Es lässt sich also der Zustand und die aktuelle Belastung jedes Lagers überwachen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht die Möglichkeit, den Temperaturverlauf im Lagerbereich mit Bezug zu einer weiteren Temperaturgröße zu untersuchen, insbesondere mit Bezug zur aktuellen Umgebungstemperatur der Ma- schine. Dadurch lassen sich Einflüsse der Umgebungstemperatur auf Temperaturände- rungen im Lagerbereich herausfiltern. Sinnvoll ist bspw. der Einsatz wenigstens eines weiteren Temperatursensors, der an der Maschine bzw. unmittelbarer Nähe zur Ma- schine positioniert ist und die Umgebungstemperatur laufend erfasst. Der der Gradien- tenauswertung zugrunde liegende Temperaturverlauf entspricht dann bevorzugt dem Verlauf der Differenztemperatur zwischen den gemessenen Temperaturwerten, d.h. der Differenz zwischen Temperatur im Lagerbereich und der Umgebungstemperatur.

Dadurch können durch veränderte Umgebungsbedingungen hervorgerufene Tempera- turänderungen im Temperaturverlauf unterdrückt werden und die Auswertung kann al- lein auf maschinenbedingte Temperaturänderungen konzentriert werden. Denkbar ist es ebenso, durch ein oder mehrere weitere Sensoren weitere störende Einflüsse zu be- rücksichtigen und auszufiltern. Hierzu zählt bspw. auch die Temperatur eines durch die Maschine strömenden Mediums, insbesondere des Fördermediums bei Pumpen. Wie bei der Umgebungstemperatur könnte in diesem Fall auch die Mediumtemperatur er- fasst werden und als Temperaturverlauf die Differenztemperatur zwischen Lagertempe- ratur und Mediumtemperatur betrachtet werden. Entscheidend beim Einsatz eines wei- teren Temperatursensors ist, dass dieser mit ausreichendem Abstand zum Lager/La- gerträger an oder außerhalb der Maschine positioniert ist. Ab- und Aufheizbedingungen der Umgebung sind somit gut feststellbar.

Bezüglich dieser vorteilhaften Ausführung ist zu erwähnen, dass die bereitgestellten Da- ten zur Umgebungstemperatur bzw. Mediumtemperatur oder sonstiger störender Ein- flüsse nicht zwingend von einem dafür vorgesehenen Sensor stammen müssen son- dem grundsätzlich auch von einer beliebigen Informationsquelle, bspw. einem Informati- onsserver abgerufen werden können. Gemäß bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird eine weitergehende Auswer- tung der detektierten Ein- und Ausschaitvorgänge betrieben. Insbesondere sollen alle detektierten Ein- und Ausschaltzyklen während einer definierten Zeitspanne und/oder der Gesamtlebensdauer der Maschine gezählt werden. Weiterhin bevorzugt kann auch die tatsächliche Betriebsphase zwischen einem Einschaltvorgang und dem nachfolgen- den Ausschaltvorgang erfasst werden. Durch Addition der einzelnen Betriebsdauern zwischen zwei Schaltvorgängen kann zudem die Gesamtbetriebsdauer erfasst werden. Gleiches Vorgehen kann auch für die Erfassung von Stillstandzeiten angewendet wer- den, indem eine einzelne Stillstandzeit zwischen einem Ausschaltvorgang und einem nachfolgenden Einschaltvorgang erfasst wird. Durch Addition kann ebenfalls die Ge- samtstillstandzeit der Maschine ermitelt werden. Die vorgenannten Informationen kön- nen erfasst und für einen späteren Abruf innerhalb eines Speichers der Auswerteeinheit bereitgehalten werden. Vorstellbar ist auch die einmalige, periodische oder zufällige Übermittlung dieser Informationen an wenigstens einen externen Empfänger. Kenntnis über die Frequenz und Dauer von Stillstandzeiten ist gerade bei Trinkwasserpumpen von Bedeutung, da diese während Stillstandzeiten zum Festbacken neigen.

Die aktuelle Temperatur wird durch den ersten und gegebenenfalls die weiteren Tempe- ratursensoren mit einer bestimmten Messfrequenz wiederkehrend erfasst. Die Messfre- quenz kann statisch als auch frei definierbar sein. Denkbar ist eine Definition der Mess- frequenz in Abhängigkeit der konkreten Einsatzbedingungen der Maschine als auch in Abhängigkeit des Maschinentyps, wobei auch hier das Volumen der Maschine bzw. das Volumen der temperaturleitfähigen Bestandteile Einfluss auf die benötigte Messfre- quenz haben. Allgemein gilt, dass eine zu geringe Messfrequenz die Gefahr birgt, dass relevante Gradienten möglicherweise nicht zuverlässig erfasst werden. Demgegenüber verlangt eine unnötig hohe Messfrequenz die Bereithaltung großer Leistungs- und Spei- cherressourcen innerhalb der Auswertereinheit, so dass idealerweise ein Kompromiss hinsichtlich der gestellten Bedingungen bei der Wahl der Messfrequenz getroffen wer- den muss.

Bevorzugt könnte auch eine dynamische Einstellung der Messfrequenz erfolgen, die idealerweise von der Auswerteeinheit während des laufenden Maschinenbetriebs und der Temperaturerfassung selbsttätig in Abhängigkeit etwaiger Parameter und/oder Messwerte eingestellt wird. Bspw. verwendet die Auswerteeinheit standardmäßig eine vordefinierte Messfrequenz. Wird jedoch zu einem Zeitpunkt im Ansatz ein vergleichs- weise hoher Gradient bzw. ein starker Temperaturanstieg festgestellt, wird unverzüglich und temporär die angewendete Messfrequenz für wenigstens einen der Sensoren, vor- zugsweise zumindest den ersten Temperatursensor, dynamisch erhöht, um die Mess- genauigkeit zu diesem Zeitpunkt temporär zu erhöhen, was letztendlich die verlässliche Detektion des Ein- und Ausschaltvorgangs verbessert. Vorstellbar ist es ebenso, dass die Auswerteeinheit das Messintervall aus Gründen der Energieeinsparung im laufen- den Betrieb vergrößert, d.h. die Messfrequenz reduziert. Denkbar ist es, dass die Aus- werteeinheit auf ein initiales kurzes Messintervall konfiguriert ist Ein solches initiales Messintervall ist insbesondere so gewählt, dass möglichst alle schnellen Temperatur- gradienten zuverlässig erkannt werden, möglichst auch maschinenunabhängig. Erkennt die Auswerteeinheit im laufenden Betrieb dann, dass eine zuverlässige Gradientener- kennung und damit zuverlässige Detektion von Schaltvorgängen auch bei einem größe- ren Messintervall gesichert ist, dann passt die Auswerteeinheit dies einmalig, schritt- weise oder kontinuierlich auf einen möglichst optimalen Wert an, der einerseits eine si- chere Detektion gewährleistet, andererseits aber aufgrund der reduzierten Messvor- gänge die gewünschte Energieeinsparung mit sich bringt.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine rotierende Maschine, insbesondere eine Pumpe bzw. ein Pumpenaggregat, vorzugs- weise Kreiselpumpe bzw. Kreiselpumpenaggregat, mit wenigstens einer Auswerteein- heit zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. Die entsprechende Auswerteeinheit kann als externe Einheit vorgesehen sein, alternativ je- doch auch innerhalb einer regulären Pumpensteuerung integriert sein. Mittels wenigs- tens eines Temperaturfühlers der rotierenden Maschine wird eine entsprechende lager- nahe Messstelle an der rotierenden Welle des Pumpenlaufrades, insbesondere eine Messstelle an der Lagerträgeroberfläche, auf etwaige Temperaturänderungen über- wacht und entsprechend ausgewertet. Neben der rotierenden Maschine wird ebenso ein System unter Schutz gestellt, das aus einer rotierenden Maschine mit wenigstens einem Temperatursensor und einer exter- nen Auswerteeinheit besteht, die mit dem wenigstens einen Temperatursensor kommu- nikativ in Verbindung steht und zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegen- den Erfindung ausgestaltet ist.

Zuletzt lässt sich das Verfahren auch durch einen intelligenten Temperatursensor aus- führen, der zur Anbringung an wenigstens einer rotierenden Maschine, insbesondere dort im bzw. am Lagerbereich geeignet ist. Ein solcher Temperatursensor weist eine in- tegrale Auswerteeinheit auf, die konfiguriert ist das erfindungsgemäße Verfahren auszu- führen. Sowohl für die rotierende Maschine als auch das System und den Temperatur- sensor gelten dementsprechend dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird daher an dieser Stelle verzichtet.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 : ein Diagramm, das den sensorisch erfassten Temperaturverlauf über die

Zeit im Bereich des Lagerträgers einer rotierenden Maschine (hier Krei- selpumpe) darstellt,

Figur 2: zwei weitere Diagrammdarstellungen, die den Gradientenverlauf einer

Temperaturdifferenz über die Zeit darstellen und

Figur 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe mit markierten möglichen Montagepunkten für die Anbringung eines Temperatursensors zur Erfassung der Lagertemperatur und der Umge- bungstemperatur.

Zur Detektion der Schaltzeiten einer rotierenden Maschine, insbesondere eines Pum- penaggregates, wurden von den Erfindern drei wesentliche charakteristische Merkmale identifiziert, auf die sich aufgezeichnete Messdaten ein oder mehrerer Temperatur- sensoren untersuchen lassen.

1. Ein kurzfristiger Abfall/Gradient der im Lagerbereich bzw. am Lagerträger gemes- senen Temperatur, der auf ein Einschalten des Aggregats hinweist.

2. Ein kurzfristiger Anstieg/Gradient der im Lagerbereich bzw. am Lagerträger ge- messenen Temperatur, der auf das Ausschalten des Aggregats hinweist.

3. Anzahl und Größe der Gradienten der im Lagerbereich bzw. am Lagerträger ge- messenen Temperatur mit Bezug auf die Umgebungstemperatur der Maschine.

Zur Erläuterung der Merkmale 1 und 2 wird auf die Diagrammdarstellung der Figur 1 verwiesen. Das Diagramm zeigt die am Lagerträger, genauer an dessen Oberfläche, ei- ner Kreiselpumpe gemessene Temperatur über die Zeit. Mit Position A ist ein kurzzeiti- ger negativer Temperaturpeak markiert, der ein kurzzeitiges Abfallen der Temperatur im Bereich des Lagers der Maschine zeigt. Dieses Phänomen tritt dadurch auf, dass beim Anlaufen des Pumpenantriebs ein Luftmassestrom erzeugt wird, der eine Kühlwirkung auf das Lager bzw. den Lagerträger mit sich bringt. Bestärkt wird diese Kühlwirkung zu- sätzlich durch einen Lüfter des Elektromotors des Pumpenantriebs. Dies führt letztend- lich zu einer verzögerten, reibungsbedingten Erwärmung des Lagerträgers.

Ersichtlich ist in der Diagrammdarstellung, dass die Charakteristik dieses Ausschlages in Position A deutlich von dem übrigen Temperaturverlauf abweicht, insbesondere ist der Gradient des Temperaturverlaufs deutlich größer als bei den vorausgehenden Tem- peraturschwankungen und den nachfolgenden Temperaturschwankungen zwischen der Position A und Position B. Diese Temperaturschwankungen sind durch äußere Ein- flüsse (bspw. Umgebungstemperatur) als auch betriebsbedingte Einflüsse wie Lastän- derungen bedingt.

Der Gradient bei Position A wird von der Auswerteeinheit der Pumpe damit als eindeuti- ges Indiz für einen Einschaltvorgang des Pumpenantriebs gewertet. An der gekennzeichneten Position B ist dem gegenüber ein kurzzeitiger rapider Anstieg der gemessenen Temperatur am Lagerträger zu erkennen. Ein solches Verhalten stellt sich unmittelbar nach dem Abschalten des Pumpenantriebs ein, denn durch die feh- lende Rotationsbewegung nimmt der kühlende Luftmassestrom ab bzw. unterbleibt voll- ständig, so dass die Betriebstemperatur des Lagers/ der Pumpe zunächst zu einer kurz- zeitigen schnellen Temperaturerhöhung des Lagerträgers führt und eine Abkühlung des Lagerträgers bzw. der Maschine auf die Umgebungstemperatur erst mit gewisser Ver- zögerung eintritt. Auch der in Position B markierte Gradient unterscheidet sich deutlich von den sonstigen Steigungen der üblichen Temperaturschwankungen, so dass auch hier von der Auswerteeinheit eindeutig auf einen Ausschaltvorgang geschlossen wer- den kann.

Vorliegend kann die Auswerteeinheit die detektierten Gradienten in den Positionen A, B anhand des Gradientenvorzeichens als auch anhand des Maximalbetrages der Tempe- raturänderung, d.h. der Peakhöhe voneinander unterscheiden, um diese somit eindeutig einem Ein- bzw. Ausschaltvorgang der Maschine zuordnen zu können. Konkret ist der Gradient für einen Einschaltvorgang in Position A zunächst negativ bis es aufgrund der verzögerten Temperaturerhöhung bedingt durch die Lagerreibung zum Vorzeichen- wechsel kommt. Im Gegensatz dazu ist der Gradient beim Ausschaltvorgang zunächst positiv und der Vorzeichenwechsel tritt dann mit der verzögerten Abkühlung der Ma- schine aufgrund des Maschinenstillstandes ein.

Eine erweiterte Lösung der Erfindung soll anhand der Diagrammdarstellung der Figuren 2a, 2b erläutert werden. In Figur 2a sind nun die Gradienten über die Zeit eines Tempe- raturdifferenzverlaufs aufgetragen. Konkret wird in diesem Beispiel neben der Lager- temperatur synchron die Umgebungstemperatur der Maschine erfasst und aus den bei- den Temperaturwerten ein Differenzbetrag gebildet. Aus diesem zeitlichen Verlauf der Temperaturdifferenz wird dann der gezeigte Gradientenverlauf gemäß Figur 2a ermit- telt. Durch diese Vorkehrung kann die Erwärmung am Lagerträger weitgehend frei von Umwelteinflüssen festgestellt und bewertet werden. Auch hier macht man sich bei der Auswertung die oben beschriebenen Phänomene zu Nutze, dass während eines Ein- und Ausschaltvorgangs charakteristische Temperatur- gradienten vorliegen, die von der Auswerteeinheit erfasst und als Indikator zur Detek- tion eines Ein- bzw. Ausschaltvorgangs verwendet werden ln Figur 2a sind insgesamt fünf dieser charakteristischen Gradienten erkennbar, die sich durch einen deutlich hö- heren Wert des Gradienten gegenüber Gradienten bei last- bzw. zeitbedingten Tempe- raturschwankungen auszeichnen. Diese Gradienten sind durch die Punkte a-e gekenn- zeichnet, wobei die Positionen a, b, e ein positives Vorzeichen tragen während die Gra- dienten c, d negativ sind. In Verbindung mit den oben beschriebenen Merkmalen 1 , 2 sowie die Betrachtung der Größe der Gradienten a-e lässt sich erkennen, ob die Ma- schine an- oder ausgeschaltet wurde.

Zur besseren Vergleichbarkeit wird nur der Gradientenbetrag betrachtet, d.h. es erfolgt eine Vorzeichenumkehrung für die negativen Gradienten, was in Figur 2b gezeigt ist. Figur 2b veranschaulicht nun deutlich, dass die Gradienten c, d höher sind als die Gra- dienten a, b und e. Unter Berücksichtigung der vorgehenden Erläuterungen, wonach bei einem Ausschaltvorgang höhere Gradienten vorliegen, kann die Auswerteeinheit nun feststellen, dass die Gradienten c, d Ausschaltvorgänge anzeigen, während die Gradi- enten a, b, e für Einschaltvorgänge stehen.

Zur weiteren Auswertung der Betriebszeiten der Kreiselpumpe werden nun die detek- tierten Gradienten a-e gezählt, um dadurch die Anzahl erfolgter Schaltvorgänge ermit- teln zu können. In Kenntnis der Schaltzahlen einer Maschine lassen sich dann weiter die Betriebs- und Stillstandzeiten der Maschine bestimmen.

Die anhand der Figur 1 und der Figuren 2a, 2b unterschiedlichen Vorgehensweisen zur Schaltvorgangserkennung lassen sich natürlich auch miteinander kombinieren, um die Qualität der Erkennung weiter zu optimieren. In Figur 3 ist schematisch eine rotierende Maschine in Form einer Kreiselpumpe 10 dar- gestellt. Die Kreiselpumpe 10 umfasst eine rotierende Welle 14, die einerseits das Pum- penlaufrad aufnimmt und andererseits durch den Pumpenantrieb angetrieben wird. Die Welle wird durch wenigstens ein Lager drehbar gelagert, wobei das Lager innerhalb des gezeigten Lagerträgers 13 sitzt. Die Rotation der Welle verursacht eine Lagerreibung, die zu einer Erwärmung der Maschine 10 und insbesondere des Lagerträgers 13 führt. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird nun die Temperatur im Bereich des Lagers, insbesondere an der Oberfläche des Lagerträgers, erfasst.

Grundsätzlich kann die Messung der Temperatur des Lagerträgers 13 an beliebigen Stellen erfolgen. Bevorzugt wird jedoch eine Messung möglichst dicht an der Lager- stelle, das heißt an einer lagernahen Oberfläche des Lagerträgers, um eine exakte Aus- sage über die Temperaturentwicklung, hervorgerufen durch Lagerreibung treffen zu können. Eine potentielle Messstelle für die Temperatur des Lagerträgers ist mit dem Be- zugszeichen 11 gekennzeichnet.

Die Messung der Umgebungstemperatur sollte bevorzugt in ausreichendem Abstand zu vergleichsweise heißen oder kalten Komponenten der Maschine, aber dennoch in un- mittelbarer Umgebung der Maschine durchgeführt werden. Figur 3 zeigt auch hier eine potentielle Messstelle für die Umgebungstemperatur mit dem Bezugszeichen 12.