CN101761524A

CN101761524A - 用于以电子方式确定阀门机构的与位置相关的磨损状况的方法及气动阀门

Info

Publication number: CN101761524A
Application number: CN200911000111A
Authority: CN
Inventors: A·施特尔特; U·E·迈尔; D·帕佩
Original assignee: ABB Transmit Oy
Current assignee: ABB Technology AG; ABB Transmit Oy
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2010-06-30
Also published as: DE102008064359A1; US8509952B2; US20100179697A1

Abstract

用于以电子方式确定用于控制处理介质流的阀门系统的磨损状况的方法和阀门系统，在该阀门系统中，轴向可移动地设置在阀壳(2)内的阀门单元(4)通过可电控的线性驱动装置根据位置调节而被移动，其中阀门单元(4)上施加有基本上恒定的控制压力，通过确定与阀门单元(4)的当前位置有关的速度来得到往复行程上的位置速度关系曲线，通过与先前的位置速度关系曲线进行比较，从中得出变化概况，作为阀门机构的与位置相关的磨损状况的度量。

Description

用于以电子方式确定阀门机构的与位置相关的磨损状况的方法及气动阀门

技术领域

本发明涉及一种用于以电子方式确定阀门系统的阀门机构的磨损状况的方法，其轴向可移动地设置在阀壳内的阀门单元通过可电控的线性驱动装置根据位置调节而被移动。此外，本发明还涉及一种阀门系统，其具有用于实现这种方法的装置。

背景技术

在本公开中使用的概念“位置调节”支持机电系统，该机电系统根据一个或多个输入信号来控制气动调节驱动装置的辅助能源，以便使阀门单元进入特定的位置。为了实现功能，位置调节需要处于压力下的气体、通常是压缩空气作为辅助能源，而且还需要电能。

通常所知的气动位置调节器至少具有在后面还要详细说明的核心组件。利用气动系统，根据一个或多个输入信号，单向工作或双向工作的气动调节驱动装置的驱动室被有目的地充气和排气。气动系统通常由辅助能源管路、一个或多个前导阀装置以及引至驱动室以控制驱动室的充气和/或排气的的控制压力管路组成。借助位置传感器作为调节反馈传感器件，阀门单元的运动和位置以一个或多个信号来表示。此外还具有控制电子器件，其具有微控制器，并接收一个或多个输入信号。该控制电子器件内的固件将输入信号和位置传感器的信号处理成输出信号，作为气动系统的输入信号。

在此所感兴趣的类型的调节驱动装置在翻转驱动和往复驱动情况下是有区别的。在往复驱动的情况下，调节驱动装置的从动轴的线性运动直接传递到线性操作的调节机构。与此相反，在翻转驱动的情况下，调节驱动装置的从动轴的线性运动利用适当的手段被转换成旋转运动。

气动调节驱动装置和位置调节器借助扩展组件相连接。所述扩展组件包括将调节驱动装置相对于调节反馈传感器件的运动和位置传递给位置调节器的组件。

在设备控制的范围内使用这样的阀门系统所存在的问题是，当一个气动调节驱动装置出现不可预见的故障时，整个设备也可能会出现故障，这将造成生产中的停机时间。对于气动辅助驱动装置来说，主要是用于开关压缩空气流的多路阀有出现故障的危险，因为多路阀在工作期间往往处于一种特别高的机械交变应力下。

为克制这个问题，到目前为止通常是在阀门运转了一段预计的使用时间后对其进行预防性的更换。在这种方法的情况下，经常在离实际磨损极限还很远时就已经完成了更换，因为在预计的使用时间和实际使用时间之间存在很大的变化范围。

除了这种故障问题外，对于一个设备来说，由于持续的磨损也可能导致调节驱动装置的开关不断变慢，这可能引发不利的交叠现象，而这又将导致设备中出现不允许的系统状态。

DE10222890A1公开了一种技术解决方案，它关注先前所提出的问题，并建议了专门的电子监控装置，用于监控气动阀门的磨损状况。就此而言，它设置有一个电子单元，向该电子单元的输入端提供由一个中央控制单元预先给定的针对气动阀门的电控制信号以及一个跟随在由此触发的控制脉冲之后的电反应信号。该电子单元比较所述控制信号和开关延迟的反应信号之间的时间间隔，作为阀门机构的磨损状况的度量。其中通过一个在工作管路一侧集成在阀壳内的压力传感器来确定反应信号。这个解决方案是基于如下认知的，即在阀门整个工作时间中，阀门开关时间的延长与磨损状况有直接关系。因此这种已知的解决方案通过对不希望的延长的开关时间的及时识别，使得能够对在可预见的时间内会发生故障的气动节阀门或其磨损部件进行有针对性的更换。由此得以保证气动设备的预防性维护。

然而，这一技术方案的缺点表现在为此所需的用于确定对电控制脉冲的反应信号的压力传感器。由于不能在所有情况下都能保证压力传感器在整个使用寿命期间正确地工作。此外，压力传感器将导致附加的电能消耗，而这些电能在阀门正常工作时并不需要。

另外，先前所描述的解决方案还表现出下述缺点：指示阀门机构磨损状况的摩擦力在整个开关往复行程中并不保持恒定，而是变化的，特别是对于滑阀来说，开关往复行程中的摩擦力是显著的。这种变化不能通过压力传感器件以足够的精度获知。特别是当阀门单元通过了一段相对较长的开关往复行程时，摩擦力作为在多个开关位置处的磨损状况的指示会发生变化。沿着开关往复行程的摩擦力主要取决于引导阀门单元的孔的内径和元件公差。这种现象同样也会出现在与位置相关的磨损状况下。只考虑到沿开关往复行程的几个位置点处的摩擦力的摩擦力测量或检测相应地并不能反映正确的磨损状况。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于以电子方式确定气动调节驱动装置的阀门机构的磨损状况的方法，该方法借助简单的电子元件保证了可靠的与位置相关的磨损状况检测。

该任务由权利要求1的前序部分所述方法出发，结合其特征部分所述的特征来解决。关于实现这种方法的气动阀门参照权利要求6。分别回引的从属权利要求反映了本发明具有优点的改进方案。

本发明给出了以下方法技术指导：气动调节驱动装置的阀门单元施加有基本上恒定的驱动力，通过确定与阀门单元的当前位置有关的速度得到开关往复行程上的速度变化过程，通过与先前的位置速度变化过程进行比较，从中获得变化概况，作为用于阀门机构的与位置相关的磨损状况的度量。

本发明所述解决方案的优点特别是在于，为了以电子方式确定磨损状况可以不必在阀门中使用压力传感器。本发明所述方法是由用于位置调节的已有的位置传感器件来实现的，借此能够显示出关于摩擦力特性的概况以及由此显示出在开关往复行程的每个位置处的阀门机构的磨损状况。摩擦力与速度有关，当阀门单元上施加恒定的驱动力时，开关往复行程中的滑动摩擦力会发生变化，使得摩擦力与驱动力有相似的关系。对于预先给出的驱动力，速度可以作为摩擦力的指示，摩擦力又可以作为磨损状况的指示。其中高摩擦力值代表磨损增大，而这种磨损增大对于带有动态密封的弹性圈的气动阀门来说是通过密封圈的老化过程和与之相关的裂纹形成及膨胀引起的。在具有低摩擦力的位置，速度将会很高，当摩擦力很大时，开关单元将以较低速度向前运动。由此得出沿滑动阀片具有多个最在值和最小值的位置速度关系曲线。

根据一个对本发明加以改进的措施，建议当前所确定的位置速度关系曲线直接在阀门处的显示单元上显示出来。优选的是，这个显示单元可以设置在阀壳区域内，以实现期望的本地图像显示。它会给使用者关于摩擦大小和变化的简单概况，用以评价磨损状况。由此就能有针对性地定位磨损位置，从而通过更换单独的密封圈就能消除磨损。

如果调节驱动装置是预先控制的气动调节驱动装置，则建议通过恒定的控制压力来产生本发明所述的恒定的驱动力，这种控制压力最好由实现为I/P转换器的前导阀提供。由于阀门单元的控制活塞的有效面积是一定的，则可以通过这种简单的措施在气动的预先控制范围内获得恒定的驱动力。

在实现为弹簧复位阀门的气动调节驱动装置的情况下，为进一步改进前面提到的措施，建议控制压力在此通过信号处理技术来补偿弹力变化过程的影响。

当前通过本发明所述解决方案所得出的关于开关往复行程的位置速度关系曲线应当按照改进本发明的另一措施与先前已得出的位置速度关系曲线一同存储在电子存储单元中，使得通过由电子分析单元的存储器访问，能够经由比较得到本发明所述的变化概况，作为阀门机构的与位置相关的磨损状况的度量。

附图说明

下面借助附图结合对本发明的优选实施例的说明详细描述本发明的其它改进措施。如图所示：

图1气动调节驱动装置的示意图，带有用于确定阀门机构磨损状况的集成电子装置，以及

图2开关往复行程中的位置速度关系曲线的图形表示。

具体实施方式

根据图1，在一个这里仅示意性示出的管路1中，一个未进一步示出的工艺技术设备被置入到处理阀的阀壳2内。这个阀壳在其内部具有一个与阀座3共同作用的阀门单元4，用以控制流过的处理介质5的量。阀门单元4由一个气动调节驱动装置10通过一个往复接杆7线性驱动。气动调节驱动装置10通过一个轭6与处理阀的阀壳2相连。在轭6上设置有一个带有定位调节器13的数字式位置调节器。通过位置传感器12，往复拉杆7的往复运动被报告给位置调节器的范围内。所检测到的往复运动在定位调节13内与一个预先给出的额定值进行比较，并根据所确定的调节偏差控制气动调节驱动装置10。气动调节驱动装置10包括一个前导阀装置-例如一个电动-气动的I/P转换器-用于将所确定的调节偏差的电调节信号转换成适当的控制压力。该控制压力通过一个压力介质管路14传送到气动调节驱动装置10的驱动室11中。

作为用于识别阀门机构磨损状况的电子装置，位置传感器12补充了双重功能。通过位置传感器12，定位调节13确定往复拉杆7的位置速度关系曲线，作为阀门单元4在其开关往复行程上的组成部分。在定位调节器13内，确定阀门单元的当前位置处的速度关系，由此，一个连接在后面的分析单元9通过比较先前的位置速度关系曲线，得到变化概况，作为阀门机构的与位置相关的磨损状况的度量。分析单元9的组成部分还包括一个显示单元15，它与分析单元9一起固定在气动调节驱动装置10上。显示单元15用于在阀门系统上直接以图形本地显示所测得的位置速度关系曲线。

在图2中图形显示了一种典型的位置速度关系曲线。开关单元的速度通过其往复行程来表示，其中速度的变化直接反映了摩擦力的变化。在水平轴上，往复行程以位置的形式用百分数记录，其中100％表示完整执行了的往复行程。在垂直轴上，速度以每秒百分数来记录。该图显示了往复行程上的位置速度关系曲线，其中最大值位置表示较小的摩擦力，最小值位置表示较大的摩擦力。由此，使用者能够在视觉上定位特别是摩擦力较大的位置，以便采取针对性的维护措施或者仅一般地对阀门机构的磨损状况进行与位置相关的评估。

阀门元件的运动可通过下述公式来描述：

ΔpA - k (x + x_{0}) = f_{D} + ϵ \overset{\cdot}{x} + ϵ_{2} {\overset{\cdot}{x}}^{2} + (f_{s} - f_{D}) e^{- {(\overset{\cdot}{x} / {\overset{\cdot}{x}}_{0})}^{2}} + m \overset{\cdot \cdot}{x}

左边的项描述了开关单元的驱动力。这由预先控制的压差Δp的力和用于预先控制的单稳态气动阀门的弹力(k(x+x0))所构成。这个驱动力可通过预先控制的压力调节，并且附带地针对单稳态阀门通过弹力测量来确定，从而得知驱动力。

公式的右侧由一个加速项(md2x/dt2)和摩擦力构成。当速度恒定时，该加速项即为0，驱动力等于摩擦力。这时运动的加速部分与摩擦力相比通常很小，特别当摩擦力随气动阀门的老化而增大时。开关单元的运动因此主要由摩擦力确定。

附图标记列表

1管路

2阀壳

3阀座

4阀门单元

5处理介质

6轭

7往复拉杆

8传感器件

9分析单元

10气动调节驱动装置

11驱动室

12位置传感器

13定位调节器

14压力介质管路

15显示单元

Claims

1.一种用于以电子方式确定用于控制处理介质流的阀门系统的磨损状况的方法，在所述阀门系统中，在阀壳(2)内可轴向移动地设置的阀门单元(4)通过可电控的线性驱动装置根据位置调节而被移动，其特征在于，阀门单元(4)上施加有基本上恒定的驱动力，通过确定与阀门单元(4)的当前位置有关的速度得到往复行程上的位置速度关系曲线，通过与先前的位置速度关系曲线进行比较，从中得出变化概况，作为用于阀门机构的与位置相关的磨损状况的度量。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，当前所得出的位置速度关系曲线在直接位于气动调节驱动装置(10)处的显示单元(15)上被显示出来。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，用于实现气动预先控制的阀门单元(4)上施加有基本上恒定的控制压力。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，在弹簧复位的阀门单元(4)的情况下，所述控制压力通过信号处理技术补偿复位弹簧的弹力变化的影响。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，当前所得出的往复行程上的位置速度关系曲线和先前的位置速度关系曲线一同被存储。

6.一种阀门系统，特别是气动调节驱动装置，其轴向可移动地设置在阀壳(2)内的阀门单元(4)通过可电控的线性驱动装置根据位置调节而被移动，其中设置了用于确定阀门机构磨损状况的电子装置，其特征在于，所述线性驱动装置向阀门单元(4)施加基本上恒定的驱动力，定位调节器(13)借助位置传感器(12)，通过确定与阀门单元(4)的当前位置有关的速度得到往复行程中的位置速度关系曲线，分析单元(9)通过比较先前的位置速度关系曲线，从中得出变化概况，作为阀门机构的与位置相关的磨损状况的度量。

7.根据权利要求6的阀门系统，其特征在于，在气动调节驱动装置(10)的范围内设置了显示单元(15)，用于在本地图形化显示当前所得出的位置速度关系曲线。

8.根据权利要求6的阀门系统，其特征在于，在分析单元(9)中设置了集成的存储单元，用于存储当前所得出的往复行程上的位置速度关系曲线以及先前的位置速度关系曲线。

9.根据权利要求6的阀门系统，其特征在于，可电控的线性驱动装置包括前导阀，用于向阀门单元(4)施加控制压力以实现气动的预先控制。

10.根据权利要求9的气动阀门，其特征在于，实现为I/P转换器的前导阀(4)提供了基本上恒定的控制压力。