CN101809348B

CN101809348B - 用于阀、尤其用于截止阀或控制阀的诊断系统和诊断方法

Info

Publication number: CN101809348B
Application number: CN200880108499.0A
Authority: CN
Inventors: 阿尔夫·皮特莫
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-09-23
Also published as: EP2191182A1; WO2009040349A1; CN101809348A; US8429951B2; DE102007045529A1; US20100192677A1; EP2191182B1

Abstract

本发明涉及用于阀、尤其用于截止阀或控制阀(21)的一种诊断系统和一种诊断方法，阀可通过驱动装置(27)操纵并可装入到管路中。用传感器(22)检测管路的入口侧(20)中的压力，并在阀关闭时在分析评估装置(23)中与第一参考值比较。用传感器(24)测量固体声声级并在分析评估装置(23)中与第二参考值比较。如果声级超过第二参考值并且入口侧中的压力小于或等于第一参考值，则输出用来指示超过允许的泄漏的信号。特性曲线族用于确定压力的第一参考值，特性曲线族的参数是阀的KV-值和泄漏等级。在投入运行时，第二参考值被确定为在从湍流过渡到具有气穴的流时的声级。该诊断的优点是，在安装完毕的状态下可以不使用复杂的分析方法检测泄漏等级。

Description

用于阀、尤其用于截止阀或控制阀的诊断系统和诊断方法

技术领域

本发明涉及一种用于阀、尤其用于截止阀或控制阀的诊断系统，阀可通过驱动装置来操纵并可装入到管路中，以及涉及一种可用该诊断系统实施的诊断方法。

背景技术

在工艺和动力工程的许多领域中，设备的无干扰运行取决于所采用的调节阀、关闭阀、截止阀和控制阀的无缺陷的功能。为了避免发生费用很大的、异常的运行中断，应该尽可能在开始阶段就识别出阀的损伤，也就是说在阀发生故障之前就可以关闭设备。例如失效的阀座导致泄漏流，也称为泄漏，它们产生一种宽带的声波发射。因此记录和分析评估阀的声波发射可以用于提前识别阀损伤。因为阀损伤可能造成故障和昂贵的后续费用，因此可能带有对错误的自动检测和可编程的分析评估的诊断是很有用的。诊断数据的统计分析评估既可用于对及时替换有损坏的阀的维护过程实现最佳化，也可以对阀制造厂家进行质量方面的评估和评级或者用于评价对于不同工艺种类的某些阀的适用性。

由DE 19924377A1已知了一种用于可由位置调节器通过驱动装置操纵的阀的诊断系统，该诊断系统具有用于检测、存储和分析评估在阀上所测量的固体声谱的装置。为了能够实现特别可靠的阀诊断，在用于进行检测、存储和分析评估的装置中可以存储有在略微开启的、功能正常的阀中所检测到的固体声谱。为了进行诊断，将在阀关闭时检测到的固体声谱与存储的声谱进行比较，并将该类似性考虑作为用于阀的不密封性的标准。

由DE 199 47 129 A1已知了另一种用于阀的诊断系统。阀壳体的外壁、在阀壳体和驱动装置之间的框架、在框架和壳体之间的连接法兰、在壳体和管路之间的法兰以及阀杆都可以用于安设用于固体声的传感器。由声传感器发出的测量信号被输送给分析评估装置，该分析评估装置位于阀位置调节器的壳体中或者可以与其分开地布置。问题在于：声传感器提供的测量信号具有相对小的信号级，这种信号只能以一定的费用无干扰地传输至分析评估装置。

可替换地，可以将传感器布置在分析评估装置的壳体中或者壳体上，该分析评估装置随后传导声音地与阀连接。其优点在于：由于在分析评估装置和测量传感器之间的间距小，因此需要比较短的连接管路。例如电测量信号因此在传输路径上只是有小的衰减，并且由于较小的空间尺寸可以不必使用很大的费用就防止干扰输入。此外，可以将诊断系统特别简单地装配在阀上，这是因为在分析评估装置的壳体之外不需要布设电缆，在阀上也不需要单独装配用于固体声的传感器。主要存在于闭合体部位中的超声波发射作为声音信号经过阀壳体、通常布置在该阀壳体和框架之间的法兰以及经过框架本身输入到声波传感器中，该传感器位于分析评估装置的壳体中或者壳体上，该分析评估装置通常用螺钉固定在框架上。测量信号因此不是以电的形式而是声的形式进入到分析评估装置的壳体中，在其中用固体声传感器进行声/电信号的转换。

对于已知的诊断系统来说都是这样：只有根据对所接收的固体声信号进行相对复杂的分析才可能提出诊断意见；而且采用这些诊断系统只能确定出是否存在有泄漏。相反，已知的诊断系统不能对泄漏作定量的评估。

发明内容

本发明的目的是提出用于阀、尤其用于截止阀或控制阀的一种诊断系统和一种诊断方法，该阀可通过驱动装置操纵并可装入到管路中，该系统和方法可以在装入阀的状态下实现对超过允许值的泄漏的识别，而且无需复杂地分析固体声信号，例如通过傅里叶分析就足够了。

本发明的第一个目的通过一种用于阀、尤其用于截止阀或控制阀的诊断系统实现，所述阀可通过驱动装置操纵，并能装入到管路中，所述诊断系统具有用于固体声的传感器，以及用于分析评估所接收的所述固体声的测量信号的装置，其中，设有用于所述管路的入口侧中的压力的传感器；所述分析评估装置设计用于，在所述阀关闭时将在所述入口例中测得的压力与所述压力的第一参考值比较，所述参考值至少根据阀尺寸和所述阀的泄漏等级来预先确定；求出所述固体声的声级并将所述声级与已规定的或者可以规定的第二参考值进行比较，如果所述声级超过所述第二参考值，并且所述入口侧中的所述压力小于或等于所述第一参考值，则输出用来指示超过了允许的泄漏的信号。

本发明的另一目的通过一种适用于对阀、尤其用于截止阀或控制阀实施诊断的诊断方法实现，其中，所述阀可通过驱动装置操纵，并可装入到管路中，采用了用于固体声的传感器和用于对所接收的所述固体声的测量信号进行分析评估的装置，其特征在于，利用传感器测量在所述阀关闭时所述阀的入口侧中的压力并将其与压力的第一参考值比较，所述第一参考值至少根据阀尺寸和所述阀的泄漏等级来预先确定；求出所述固体声的声级并将所述声级与规定的第二参考值比较；以及，如果所述声级超过所述第二参考值，并且所述入口侧中的所述压力小于或等于所述第一参考值，则输出用来指示超过允许的泄漏的信号。

本发明基于以下认识，即当泄漏时，类似地如同在阀用液体正常运行时，自某一个压差比Z起出现气穴现象。压差比Z近似地根据以下公式计算：

Z = \frac{p 1 - p 2}{p 1 - pv}

其中，

p1代表阀的入口侧上的压力

p2代表出口侧上的压力

pv代表液体的蒸气压力。

当从湍流过渡到出现气穴的流时(这种过渡可能由于压差升高而引起)，固体声发射就突然增高。通过用不同的泄漏流量的实验测量确定了：当超过临界压差比Z_Cri时就产生气穴，该临界压差比随着泄漏的量的加大而向较小值的方向移动。换句话说，泄漏流量越大，那么临界压差比就越小，从该临界压差比起就出现气穴并且可以根据固体声发射来确定。如果假定，出口侧上的压力和液体的蒸气压力为恒定的话，那么这同时意味着，当入口侧上的检验压力较小时可以以声音探测到气穴。因为允许的泄漏取决于阀的Kv-值和泄漏等级，因此临界压差比同样也基本上取决于这些参数。如果当入口侧上的压力小于对应于临界压差比的检验压力时，可以以声音确定出现了气穴的话，那就可以确定超过了允许的泄漏。因此在阀的参数、也就是泄漏等级和Kv-值和检验压力之间存在一种关系，在达到其之前，在遵守泄漏等级的情况下，通过固体声测量不能确定有气穴。

如果压力的第一参考值通过分析评估装置自动地根据存储在存储器中的特性曲线族被求出，且该特性曲线族的参数至少是阀的Kv-值和阀的泄漏等级，那么压力的第一参考值就可以特别简单地确定。两个参数通常在阀的数据页中，并且例如可以在诊断系统投入运行时人工地通过输入键盘进行调整。阀的Kv-值，常常也称之为流量因数或者流量系数，是对于经过阀的液体或者气体的可达到的通过量或者流量的标准。因而该值用m³/h表示，并用于阀的选择或者确定尺寸大小。根据其关闭状态下的密封性，根据标准ANSI/FCI 70-2和IEC 60534-4将阀分成六种不同的密封等级。例如在泄漏等级II时，允许的泄漏为Kv-值的0.5％，在泄漏等级III时，允许的泄漏为Kv-值的0.1％，和在泄漏等级IV时，允许的泄漏为Kv-值的0.01％。如果阀不再遵守其泄漏等级的阈值，那么这意味着：它不再充分地满足其关闭功能，而且必须用一种新的、具有已知的泄漏等级的阀来替代阀或其内部配件。

如上所述，固体声发射在产生气穴时突然升高。当阀入口侧上的压力升高时，声级首先慢慢地升高，一直到阀里的流动成为湍流为止。随着气穴的产生使升高明显更快，因此在声级曲线中出现一个明显可见到的转折点。在该转折点处出现的固体声声级可以可靠地加以确定并优选地在阀投入运行时根据不同应用情况来求出，这是因为其取决于各自的安装条件。因而，用基本上相当于该声级的参考值可以可靠地在湍流和有气穴的流之间加以区分。

附图说明

本发明的一个实施例在附图中示出，以下根据附图对本发明以及设计方案和优点详细加以说明。图中示出：

图1是具有分析评估装置的控制阀的结构原理图；

图2是阀在管路中的连接；

图3是声级的图表；和

图4是用于确定第一参考值的特性曲线族。

具体实施方式

在于图1中未进一步示出的过程技术设备的管路1中装入了阀2，该阀通过与阀座3共同作用的闭合体4的相应行程来控制介质5的流量。行程通过风动驱动装置6产生，并借助于阀杆7传递到闭合体4上。驱动装置6通过框架8与阀2的壳体连接。在框架8上装有位置调节器9，该位置调节器在入口侧通过作用于阀杆7上的连接件来检测行程，并将该行程与通过数据接口11由现场总线输入的额定值进行比较，并在出口侧根据对调节差的调节来控制风动驱动装置6。用于固体声的传感器12集成在紧固螺钉中。传感器12的测量信号13被输送给用来对接收到的测量信号进行分析评估的装置14。装置14包含有信号处理电路15，在其中将声波传感器12的测量信号13放大、过滤和数字化。在后置的计算单元16中由准备提供的信号13确定声级。在存储器17中存储了压力的第一参考值和固体声声级的第二参考值。另外在存储器17中存储了特性曲线族，其用于自动地求出压力的第一参考值，这取决于阀的Kv-值、泄漏等级和管路的出口侧中的压力，并且是在该压力与周围环境大气压不同的情况下。阀的诊断周期性地进行，或者通过数据接口11引起，通过该接口也可以输出诊断的结果。对于诊断是必需的、在入口侧上的压力值通过数据接口11由在前接入的、未在图1中示出的压力测量变换器提供给分析评估装置14。位置调节器9、传感器12和分析评估装置14布置在一个共同的壳体18中，该壳体装备有耐压密封的封闭装置用来在有爆炸危险的区域中使用。因此避免了在控制阀的电子元件之间的、外部引导的连接电缆。由可能存在的泄漏流所引起的固体声经过阀2的壳体、在阀2的壳体和框架8之间的法兰连接19以及经过框架8本身进入到传感器12中，该传感器，正如上面所述设计成紧固螺钉，并因此可以使经过框架8传导的固体声良好地实现输入。

图2示出了具有诊断系统的设备的截面的原理电路图。在管路的装入了阀21的入口侧20中，用传感器22测量控制的压力并将其传输给分析评估装置23。用于固体声的传感器24安装在阀21上并为分析评估装置23提供固体声的测量信号。用检测在管路出口侧26上控制的压力的传感器25来检测该压力并将其继续传输给分析评估装置23。设有驱动装置27用来操纵阀。如果管路的出口侧26在单侧是敞开的并且在那里总是由周围环境大气压来控制的话，那么例如可以取消该传感器25。为了诊断阀21和为了监测阀对于由其泄漏等级和其Kv-值所得出的允许的泄漏的遵守情况，通过相应地控制驱动装置27使阀21关闭。在入口侧20上控制的压力用传感器22检测，并在分析评估装置23中与第一参考值比较，该参考值的确定在下面根据图4详细加以说明。同时用传感器24在阀21上检测固体声，并在分析评估装置23中将固体声声级与第二参考值比较，该第二参考值的确定则根据图3在下面加以详细说明。超过第二参考值就指出了：在阀21中控制的流动带有气穴。如果气穴已经出现，尽管入口侧20上的压力低于第一参考值，仍确定了超过了允许的泄漏，并将相应的信号经过数据接口28输出，以采取可能必需的维护措施。如果对于将阀21装入在管路中的安装条件许可的话，优选地为了进行阀的诊断，调整设定了对应于压力的第一参考值的、在入口侧20上的压力和在出口侧26上的大气压。如果在这些运行条件下，固体声声级没有超过第二参考值，那么阀21遵守其泄漏等级的极限值，并且经过数据接口28发出了“良好”状态的信号。相反如果固体声声级超过第二极限值，那么输出信号，表明阀21具有不被允许的大的泄漏。

在根据图3的曲线图中，纵座标为固体声声级dB，横座标是压差比Z，该压差比根据开头所述的公式计算。固体声声级的曲线30是在阀在装入状态下在投入运行时所检测到的，并因此是应用场合所特有的。明显的转折点31在曲线30中在Z_Cri＝0.75时可以见到，这表明，在该压差比之上流过阀的泄漏流带有气穴。固体声声级在转折点处大约为10dB。根据此值(该值用线32标出)来调整用于固体声声级的第二参考值，因此当超过第二参考值时，可以通过测量的固体声声级推断出是否存在气穴。正如开头所述，随着泄漏的变大，曲线30的转折点31向左移动。这就是说，临界压差比的值降低，而气穴可能在入口侧上的压力较小的情况下就已经形成了。

图4举例示出了特性曲线族，根据该特性曲线族可以简单地求出压力的第一参考值。横座标是阀的对数表示的Kv值m³/h，纵座标是所要求出的第一参考值，该第一参考值称为P，用bar(巴)表示。曲线41表示出要求的检验压力与泄漏等级II的阀的Kv-值的关系，曲线42用于泄漏等级III，而曲线43用于等级IV。如上所述，允许的泄漏在各自泄漏等级中分别为阀的Kv-值的0.5％，0.1％或0.01％。在所示实例中简化地认为：在阀的出口侧有一个恒定的压力为1巴。对于流过阀的介质来说是指温度为10℃的水。也就是说有一个恒定的蒸气压力。如果出口侧上的压力和蒸气压力同样也是大小可以变化的，那么它们就可以简单地考虑作为特性曲线组的其它参数。然而它们在根据图4的曲线中为了看得更清楚起见而没有被顾及到。对于在图表中标出的情况，即阀的Kv-值为10m³/h和泄漏等级为IV，根据特性曲线43得出要进行调整的第一参考值为6.5巴。然而，对于泄漏等级III或II的相同的阀，则可以选择检验压力为5巴或4.2巴。如果阀的泄漏超过了分别由泄漏等级得出的允许的值，那么就可以在入口侧上的压力小于各自的第一参考值的情况下，探测在第二参考值之上的固体声声级并进而探测气穴。因而用该诊断系统可以实现阀的泄漏等级的可靠的校验。

Claims

1.一种用于阀的诊断系统，所述阀可通过驱动装置(6，27)操纵，并能装入到管路(1)中，所述诊断系统具有用于固体声的传感器(12，24)，以及用于分析评估所接收的所述固体声的测量信号的装置(14，23)，其特征在于，设有用于所述管路的入口侧(20)中的压力的传感器(22)；所述分析评估装置设计用于，在所述阀(2，21)关闭时将在所述入口侧中测得的压力与所述压力的第一参考值比较，所述参考值至少根据阀尺寸和所述阀的泄漏等级来预先确定；求出所述固体声的声级并将所述声级与已规定的或者可以规定的第二参考值进行比较，如果所述声级超过所述第二参考值，并且所述入口侧中的所述压力小于或等于所述第一参考值，则输出用来指示超过了允许的泄漏的信号。

2.根据权利要求1所述的诊断系统，其特征在于，所述阀为截止阀或调节阀。

3.根据权利要求1所述的诊断系统，其特征在于，所述第一参考值根据存储在存储器中的特性曲线族来确定，所述特性曲线族的参数至少是所述阀的Kv值和所述阀的所述泄漏等级。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的诊断系统，其特征在于，所述第二参考值在投入运行时被测定作为基本上出现在从湍流过渡到具有气穴的流时的声级的值。

5.一种用于阀(2，21)的诊断方法，所述阀可通过驱动装置(6，27)操纵，并能装入到管路(1)中，采用了用于固体声的传感器(12，24)和用于对所接收的所述固体声的测量信号进行分析评估的装置(14，23)，其特征在于，利用传感器(22)测量在所述阀关闭时所述阀的入口侧(20)中的压力并将其与压力的第一参考值比较，所述第一参考值至少根据阀尺寸和所述阀的泄漏等级来预先确定；求出所述固体声的声级并将所述声级与规定的第二参考值比较；以及，如果所述声级超过所述第二参考值，并且所述入口侧中的所述压力小于或等于所述第一参考值，则输出用来指示超过允许的泄漏的信号。

6.根据权利要求5所述的诊断方法，其特征在于，所述阀为截止阀或调节阀。

7.根据权利要求5所述的诊断方法，其特征在于，所述第一参考值根据存储在存储器中的特性曲线族预先确定，所述特征曲线族的参数至少是所述阀的Kv值和所述阀的泄漏等级。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的诊断方法，其特征在于，所述第二参考值在所述阀投入运行时被测定作为基本上出现在从湍流过渡到具有气穴的流时的声级的值。

9.根据权利要求7所述的诊断方法，其特征在于，将所述阀的所述Kv值输入到所述分析评估装置中；将所述阀的所述泄漏等级输入到所述分析评估装置中；根据所述特性曲线族自动地通过所述分析评估装置求出所述第一参考值；将所述阀的出口侧上的压力调整至1巴；将所述阀的所述入口侧上的压力调整至所述第一参考值；求出所述固体声的所述声级并将所述声级与所述第二参考值比较；以及，如果所述声级超过所述第二参考值，则输出用来指示超过允许的泄漏的信号。

10.根据权利要求8所述的诊断方法，其特征在于，将所述阀的所述Kv值输入到所述分析评估装置中；将所述阀的所述泄漏等级输入到所述分析评估装置中；根据所述特性曲线族自动地通过所述分析评估装置求出所述第一参考值；将所述阀的出口侧上的压力调整至1巴；将所述阀的所述入口侧上的压力调整至所述第一参考值；求出所述固体声的所述声级并将所述声级与所述第二参考值比较；以及，如果所述声级超过所述第二参考值，则输出用来指示超过允许的泄漏的信号。