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Stand der Technik
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Aufgabe der Erfindung
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Spülmittelaufbereitungsgerät für eine Hartstoffschneidmaschine
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Die
Erfindung betrifft ein Spülmittelaufbereitungsgerät zum Herausfiltern
von Feststoffen aus einem Spülmittel,
die bei Hartstoffschneidmaschinen wie Diamantkernbohrmaschinen,
Diamantkreissägen
oder Diamantseilsägen
als notwendiger Hilfsstoff beim abrasiven Abtrag von Gestein, Beton,
Mauerwerk und dgl. Materialien verwendet wird.
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Spülmittel
dienen bei der abrasiv abtragenden Bearbeitung von Gestein, Beton,
Mauerwerk oder dgl. Materialien dazu, von einem hartstoffbestückten Werkzeug
abgetragene Feststoffe von der Bearbeitungsstelle zu entfernen.
Mit dem von der Bearbeitungsstelle abzuleitenden Spülmittel,
vorzugsweise Wasser, werden die als Partikel anfallenden Feststoffe
abgeleitet. Um eine Wiederverwendung in einem geschlossenen Spülmittelkreislauf
oder ein schadstofffreies Ableiten der Spülmittel in eine Kanalisation
zu ermöglichen,
müssen
die in dem Spülmittel
enthaltenen Feststoffe abgesondert werden. Diese bestehen in hoher
Konzentration aus Gesteinsmehl sowie staubkorngrossen herausgelösten Hartstoffkörnern (Diamantsplitter,
Polykristallines Kubisches Bornitrid (PKB), Korund) der Hartstoffschneidmaschine
und sind daher selbst hochgradig abrasiv wirksam. Zudem führt das
Spülmittel
aufgrund des durch das basische Gesteinsmehl erzeugten hohen pH-Wertes
zu einer starken Verkalkung des Spülmittelkreislaufes.
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Eine
derartige für
Kernbohrsysteme ausgebildete, autonome Spülmittelaufbereitungsgerät mit einem
ungeregelten, über
ein zu spülendes
hartstoffbestücktes
Werkzeug schliessbaren, Spülmittelkreislauf
mit in Strömungsrichtung
hinter dem Werkzeug jeweils hintereinander angeordneter Absetzwanne, Spülmittelpumpe
und Filtereinheit ist nach der
DE 198
10 912 bekannt.
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Nach
der WO0513175 ist in den Spülmittelkreislauf
einer mobilen Steinkreissäge
ein mechanischer Durchflussmesser integriert, der optisch ablesbar
ist, wodurch der menschliche Nutzer bei der Überwachung und Regelung des
Spülmittelkreislaufes
unterstützt
wird. Mechanische Durchflussmesser sind jedoch bei derart hochgradig
abrasiven und zur Verkalkung führenden
Spülmitteln
stark ausfallgefährdet.
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Bei
modernen, leistungsfähigen
Hartstoffschneidmaschinen kommt jedoch der Gewährleistung einer eng tolerierten,
stets optimalen Spülmittelversorgung
am Werkzeug eine hohe Bedeutung als Prozessparameter zu, die dem
Rechner der Hartstoffschneidmaschine als Kontroll- und Regelparameter
dient. Eine wesentliche physikalische Grösse dabei stellt die aktuelle
Durchflussmenge im Spülmittelkreislauf
dar.
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Nach
der
JP 10180750 ist
die Spülmittelaufbereitungsgerät bei Diamantseilsägen von
einem Rechner gesteuert, welcher zur Regelung der Temperatur über ein
elektronisch steuerbares Ventil die Durchflussmenge eines zur Kühlung benutzten
Sekundärkreislaufes
eines Wärmetauschers
steuert. Eine Messung oder Regelung der Durchflussmenge im Spülmittelkreislauf
erfolgt nicht.
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Zudem
ist das theoretische Prinzip der Messung einer Durchflussmenge basierend
auf dem Druckabfall über
den Strömungswiderstand
in einem Rohr nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille bekannt. Nach
der
EP 0565485 wird
im allgemeinen Anwendungsfall die Durchflussmenge eines in einer Rohrleitung
angeordneten steuerbaren Blendenschiebers über beidseitige Druckmessungen
mittels Druckmesssonden rein rechnerisch mittels zuvor kalibrierten,
abgespeicherten Strömungswiderstandswerten
ermittelt. Diese allgemeine Lösung
ist ökonomisch
relativ aufwendig.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung eines robusten
elektronischen Durchflussmengensensors für das hochgradig abrasive Spülmittel
dem Spülmittelaufbereitungsgerät für eine Hartstoffschneidmaschine
zur Realisierung eines rechnergestützten Kontroll- und/oder Regelkreises.
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Die
Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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So
weist ein Spülmittelaufbereitungsgerät für eine Hartstoffschneidmaschine
mit einem zumindest teilweise über
ein zu spülendes
hartstoffbestücktes Werkzeug
schliessbaren Spülmittelkreislauf
mit in Strömungsrichtung
hinter dem Werkzeug jeweils hintereinander angeordneter Absetzwanne
und Spülmittelpumpe
einen von einem Rechenmittel mit einem Abbildungsalgorithmus elektronisch
auswertbaren Sensor auf, der bezüglich
des in Strömungsrichtung hinter
der Spülmittelpumpe
herrschenden Spülmitteldrucks
sensibel ist.
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Durch
den bezüglich
des in Strömungsrichtung
hinter der Spülmittelpumpe
herrschenden Spülmitteldrucks
sensiblen elektronisch auswertbaren Sensors besteht die Voraussetzung, über ein
Rechenmittel mit einem Abbildungsalgorithmus (bspw. mit tabellarisch
oder funktional abgespeicherten Messwerten, die mit Strömungswiderstandswerten korreliert
sind), die den Kreislaufabschnitt hinter der Spülmittelpumpe, d.h. an deren
Druckseite, bis zum Werkzeug charakterisieren, die Durchflussmenge mittelbar
zu berechnen. Dabei wird insbesondere davon Gebrauch gemacht, dass
bei Hartstoffschneidmaschinen am Werkzeug notwendig der vorbekannte Umgebungsdruck
(üblicherweise
der Atmosphärendruck)
auf das dann freigesetzte Spülmittel
einwirkt, und somit in diesem Spezialfall die zur Berechnung theoretisch
benötigte
Druckdifferenz aus einer einzigen Druckmessung eindeutig bestimmbar
ist. Durch den Verzicht auf mechanisch bewegte Teile ist der elektronische
Durchflussmengensensor hinreichend robust für den Einsatz im Baugewerbe.
Ein zweiter Sensor für
die Messung des Spülmitteldrucks
am anderen Ende des den Strömungswiderstand
ausbildenden Kreislaufabschnitts ist somit entbehrlich, was den
Aufbau wesentlich vereinfacht. Das Rechenmittel kann damit übliche Kontrollalgorithmen,
d.h. die Ausführung
einer Fehlerroutine (bspw. Warnsignal oder Abschalten) wenn ein
vorgegenbener Grenzdurchflussmengenwert unterschritten ist, und übliche Regelalgorithmen,
d.h. eine PID-Regelung auf eine vorgegebene Solldurchflussmenge,
ausführen.
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Vorteilhaft
ist in Stömungsrichtung
eine im Spülmittelkreislauf
befindliche Filtereinheit hinter dem Sensor angeordnet, wodurch
sich die Änderung derer
Filtercharakteristik bspw. bei dessen möglicher Verstopfung, in der Änderung
des Strömungswiderstandswertes
im gemessenen Kreislaufabschnitt widerspiegelt und somit vom Rechenmittel
mittelbar kontrollierbar ist.
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Vorteilhaft
ist der Sensor als diskret schaltender druckabhängiger Schwellschalter (bspw.
ein flüssigkeitsdichter
Drucktaster) ausgebildet und mit dem Spülmittel auf der Druckseite
der Spülmittelpumpe druckübertragend
verbunden, da dies für
ein auf einem diskreten Durchflussmengenschwellwert basierendes,
einfaches Kontroll- und Regelsystem hinreicht, wodurch dies robust
sowie ökonomisch
günstig
realisiert ist.
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Alternativ
vorteilhaft ist der Sensor als elektronischer Drucksensor, weiter
vorteilhaft mit vorgelagertem Luftpolster, mit kontinuierlichem
Messbereich ausgebildet, wodurch über eine vom Rechenmittel durchgeführte stetige
Abbildungsoperation ein kontinuierlicher Durchflussmengenwertebereich
erfassbar ist. Die stetige Abbildungsoperation wird vom Rechenmittel
mittels üblicher
Interpolationsroutinen zwischen mehreren abgespeicherten diskreten
Abbildungsstützpunkten
vorgenommen.
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Weiter
vorteilhaft wird der oder ein weiterer elektronisch auswertbarer
Sensor unter Ausnutzung einer stetig monotonen Strom-Druck-Kennlinie
der Spülmittelpumpe
mittelbar druckmessend durch die Kombination dieser Spülmittelpumpe
mit einem im Versorgungsstromkreis angeordneten elektronisch auswertbaren
Stromsensor ausgebildet. Weiter vorteilhaft ist der Stromsensor
durch einen niederohmigen Widerstad ausgebildet, der von einem Rechenmittel
auswertbar ist, wodurch die Anordnung eines unmittelbar druckmessenden
Sensors in dem hochabrassiven Spülmittel
entfallen kann. Über
eine Ausbildung als steuerbarer Widerstand im Versorgungsstromkreis,
bspw. als Power-MOS-FET, kann weiter vorteilhaft das Rechenmittel
direkt die Spülmittelpumpe
dem Spülmittelaufbereitungsgerät steuern, bspw.
Abschalten. Dieses Rechenmittel kann sowohl das Rechenmittel dem
Spülmittelaufbereitungsgerät als auch
das Rechenmittel der Hartstoffschneidmaschine sein, welche auch
beide gleichzeitig regelnd wirken können, bspw. im üblichen
Master-Slave-Betrieb.
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Bei
einer mit einem eigenen Rechenmittel ausgebildeten, autonomen Spülmittelaufbereitungsgerät ist der
Stromsensor vorteilhaft in dem Spülmittelaufbereitungsgerät selbst
angeordnet und mit dem Rechenmittel verbunden, wodurch eine autonome, kontroll-
und regelfähige
Spülmittelaufbereitungsgerät realisiert
ist.
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Bei
einem kombinierten Spülmittelaufbereitungs-Hartstoffschneidmaschinen-System
mit einem in der Hartstoffschneidmaschine integrierten Rechenmittel
kann der oder ein weiterer Stromsensor vorteilhaft selbst in der
Hartstoffschneidmaschine angeordnet sein, sofern die Spülmittelpumpe
dem Spülmittelaufbereitungsgerät über einen
Versorgungsstromzweig mit diesem Stromsensor gespeist wird, wodurch
ein kontroll- und regelfähiges
Spülmittelaufbereitungs-Hartstoffschneidmaschinen-System
erzielt ist. Der elektronisch auswertbare Sensor entsteht in diesem
Fall erst durch die Integration dem Spülmittelaufbereitungsgerät in dem
Spülmittelaufbereitungs-Hartstoffschneidmaschinen-System.
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Die
Erfindung wird bezüglich
eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
näher erläutert mit
der Darstellung eines Spülmittelaufbereitungs-Hartstoffschneidmaschinen-Systems
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Nach
der Darstellung ist ein Spülmittelaufbereitungs-Hartstoffschneidmaschinen-System
aus einem autonomen Spülmittelaufbereitungsgerät 1 und einer
autonomen Hartstoffschneidmaschine 2 in Form einer Kernbohrmaschine
für Gestein 3 mit
einem flüssigkeitsgespülten hartstoffbestückten Werkzeug 4 in
Form einer drehenden Diamantkernbohrkrone zweckentsprechend zusammengesetzt,
indem diese an einer Anschlussschnittstelle 5 über Leitungskupplungen 6 (für elektrische
Ströme
bzw. für Flüssigkeiten)
geeignet miteinander verbunden sind. Ein über die derart angeschlossene
Hartstoffschneidmaschine 2 geschlossener Spülmittelkreislauf
mit einer Durchflussmenge dV/dt weist in Strömungsrichtung hinter dem Werkzeug 4 jeweils
hintereinander angeordnet einen zum Atmosphärendruck p0 offenen Auffangring 7,
eine Absetzwanne 8, eine Spülmittelpumpe 9 und
eine Filtereinheit 10 auf, wobei das Spülmittel 11 in Form
von Wasser mit Feststoffen 12 zwischen dem Auffangring 7 und
dem Werkzeug 4 in geschlossenen, druckfesten Rohrleitungen 13 geführt wird.
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Sowohl
bei dem Spülmittelaufbereitungsgerät 1 als
auch bei der Hartstoffschneidmaschine 2 ist jeweils ein
Rechenmittel 14, 14' in
Form eines Mikrocontrollers [mü]C
mit einer gespeicherten spülmittelaufbereitungsspezifischen
Abbildungsvorschrift (Messwert -> Durchflussmenge
dV/dt) und einem Abbildungsalgorithmus mit einem elektronisch auswertbaren
Sensor 15, 15' verbunden,
der bezüglich
des in Strömungsrichtung
hinter der Spülmittelpumpe 9 auf der
Druckseite herrschenden Spülmitteldrucks
p sensibel ist. Das Rechenmittel 14, 14' beinhaltet
dabei jeweils übliche
Kontrollalgorithmen mit einer Fehlerroutine bezüglich eines Grenzdurchflussmengenwertes und übliche Regelalgorithmen
einer PID-Regelung auf eine vorgegebene Solldurchflussmenge.
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Der
von dem in dem Spülmittelaufbereitungsgerät 1 angeordneten
Rechenmittel 14 elektronisch auswertbare Sensor 15 ist
unmittelbar druckmessend entweder als diskret schaltender druckabhängiger Schwellschalter
in Form eines flüssigkeitsdichte
Drucktasters oder als elektronischer Drucksensor ausgebildet und über ein
vorgelagertes Luftpolster 16 mit dem Spülmittel 11 auf der
Druckseite der Spülmittelpumpe 9 druckübertragend
verbunden. Im Rechenmittel 14 dem Spülmittelaufbereitungsgerät 1 ist
die zugeordnete spülmittelaufbereitungsspezifische
Abbildungsvorschrift (Druck p -> Durchflussmenge
dV/dt) gespeichert.
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Unter
Ausnutzung der stetig monotonen Strom-Druck-Kennlinie 17 der
Spülmittelpumpe 9 ist zudem
ein elektronisch auswertbarer Sensor 15' mittelbar druckmessend durch einen
im Versorgungsstromkreis 18 der Spülmittelpumpe 9 angeordneten, vom
Rechenmittel 14 dem Spülmittelaufbereitungsgerät 1 elektronisch
auswertbaren Stromsensor 20 in Form eines steuerbaren Widerstandes
ausgebildet. Diese Strom-Druck-Kennlinie 17 ist dabei in
der zugeordneten spülmittelaufbereitungsspezifischen
Abbildungsvorschrift (Strom I -> Durchflussmenge dV/dt)
des Rechenmittels 14 mit berücksichtigt.
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Im
Spülmittelaufbereitungs-Hartstoffschneidmaschinen-System
ist die Spülmittelaufbereitungsgerät 1 über die
Hartstoffschneidmaschine 2 mit dem Stromversorgungsnetz 19 verbunden.
Der vom Rechenmittel 14' der
Hartstoffschneidmaschine 2 elektronisch auswertbare Stromsensor 20' in Form eines steuerbaren
Widerstandes bildet dadurch ebenfalls mit der stetig monotonen Strom-Druck-Kennlinie 17 der
Spülmittelpumpe 9 mittelbar
druckmessend einen vom Rechenmittels 14' elektronisch auswertbaren Sensor 15' aus, wobei
die zugeordnete spülmittelaufbereitungsspezifische
Abbildungsvorschrift (Strom I -> Durchflussmenge
dV/dt) im Rechenmittel 14' der
Hartstoffschneidmaschine 2 gespeichert ist.