CN101900152A - 以电子方式确定阀门系统的磨损状态的方法及阀门系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以电子方式确定控制处理介质的阀门系统的磨损状态的方法，可轴向移动地设置在阀壳(2)内的弹力复位阀块单元(4)通过经由I/P转换器(14)所施加的控制压力而移动，其中I/P转换器(14)至少在一部分开关行程上确保恒定的打开横截面，在该打开横截面下通过位置传感器装置(12)确定阀块单元(4)沿进气或排气行程到达不同位置的时刻，由此通过分析单元(8)以数学方式推导出阀块单元(4)在这些位置处的速度，将速度变化情况作为衡量阀门机构磨损状态的一个度量。

Description

以电子方式确定阀门系统的磨损状态的方法及阀门系统

技术领域

本发明涉及一种用于以电子方式确定阀门系统、最好是气动调节驱动器的磨损状态的方法，所述阀门系统的可轴向移动地设置在阀壳内的弹力复位阀块单元通过经由I/P转换器所施加的控制压力而移动。此外，本发明还包括一种阀门系统，该阀门系统具有用于实现这种方法的装置。

背景技术

在本文中使用的“位置调节器”的概念是指一种机电系统，其根据一个或多个输入信号来控制气动调节驱动器的辅助能源，以便使阀块单元进入规定位置。为实现该功能，位置调节器需要加压的气体、通常是压缩空气作为辅助能源，还需要电能。

在现有技术中众所周知的用于操纵处理阀的气动位置调节器至少具有在后面详细描述的核心部件。利用气动系统，根据一个或多个输入信号，单向或双向作用的气动阀门的驱动室有目的地进气或排气。这种气动系统通常还包括辅助能源管路、一个或多个前导阀系统以及引至驱动室的控制压力管路，用于控制驱动室的进气和/或排气。借助一个作为位置反馈传感器的位置传感器，阀块单元的运动和位置被表示为一个或多个信号。此外还设置有控制电子器件，该控制电子器件具有微控制器，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，该输出信号用作气动调节驱动器的输入信号。

这里所感兴趣的气动调节驱动器类型分为摆动驱动和往复驱动。在往复驱动的情况下，调节驱动器的从动侧的线性运动直接传递到一个线性操作的调节机构上。与之相反，在摆动驱动的情况下，调节驱动器的从动侧的线性运动通过适当的装置被转换成旋转运动。

气动调节驱动器和位置调节器借助一个附加组件相连接。该附加组件包括将位置反馈传感器装置所获得的调节驱动器的运动和位置传递给位置调节器的部件。

在采用气动阀门作为设备、例如自动化技术设备的组成部件的情况下会出现问题，即当阀门出现不能预见的故障时整个设备也可能瘫痪，这会导致生产过程中的停机时间。气动阀门情况下受到故障威胁的首先是多路阀门，因为其在工作中表现出特别高的机械切换负荷。

为克服这一问题，目前往往是在出现缺陷之后才更换阀门机构中存在缺陷的组成部件；或者是在经过预计的阀门运行时间之后偶尔进行预防性的更换。在所提到的后一种方法中，经常是在实际磨损极限出现之前很长时间就已经进行了更换，因为由于变化跨度很大，在预计工作时间和实际工作时间之间存在很大的偏差。

除了气动阀门的这种故障问题之外，在设备中还可能由于不断继续的磨损而导致阀门开关越来越慢，这可能引起不希望有的交叠现象，该现象又会导致设备中不可靠的系统状态。

由DE10222890A1给出了一种技术方案，其考虑到了上面提到的问题，并为了监控气动阀门的开关机构的磨损状态而建议采用专门的电子监控装置。提供了一个电子单元，在其输入端接入用于气动阀门的控制电信号和跟在控制脉冲之后的响应电信号，由此，该电子单元通过比较控制信号与相应信号之间的时间间隔来确定开关延迟，作为衡量开关机构磨损状态的度量。其中响应信号通过一个在工作导线一侧组装到阀壳内的压力传感器来确定。该解决方案基于以下认识：阀门开关时间的延长在阀门的整个工作时间内与磨损状态有直接关系。因而这种现有技术的解决方案能够通过及时了解不希望有的长的开关时间而有目的地更换在可预见的时间内可能出现故障的阀门或磨损部件。由此可以确保对气动设备的预防性维护。

然而，这种技术方案的缺点在于为此需要压力传感器装置，用于确定响应于电控制脉冲的响应信号。因为在阀门的整个工作时间内不是在所有情况下都能确保压力传感器的正常工作。此外，压力传感器还造成对电能的额外需求，并且在阀门正常工作期间并不是必需的。

此外，在现有技术中众所周知的解决方案还有：在确定阀门机构磨损状态的过程中不采用额外的压力传感器，但这些针对双稳阀的解决方案并没有采用复位弹簧设计，因此不适合转用到单稳阀，因为与位置相关的弹力可能会对测量产生影响。另外，这种解决方案也很难评判由于气动系统内的不显著的变化或者由于开关单元的位置改变而引起的测量差。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于以电子方式确定气动调节驱动器的阀门机构磨损状态的方法，其借助简单的电子构件给出对于未来磨损极限或故障事件的可靠诊断结果。

该任务由具有下述技术特征的方法以及实现该方法的气动阀门来解决。

根据本发明提供了一种用于以电子方式确定阀门系统的阀门机构磨损状态的方法，所述阀门系统的可轴向移动地设置在阀壳内的弹力复位阀块单元通过经由I/P转换器所施加的控制压力而移动，其中I/P转换器至少在一部分开关行程上确保恒定的打开横截面，在该打开横截面下通过位置传感器装置确定阀块单元沿进气或排气行程到达不同位置的时刻，由此通过分析单元以数学方式推导出阀块单元在这些位置处的速度，将速度变化情况作为衡量阀门机构磨损状态的一个度量。

另外，本发明还提供了一种阀门系统，该阀门系统的可轴向移动地设置在阀壳内的弹力复位阀块单元通过端侧的控制活塞经由I/P转换器所施加的控制压力而移动，其中设置了用于确定阀门机构磨损状态的电子装置，其中所述I/P转换器至少在一部分开关行程上保持恒定的打开横截面，在该打开横截面下，位置传感器装置确定阀块单元沿进气或排气行程到达不同位置的时刻，分析单元由此以数学方式推导出阀块单元在这些位置处的速度，速度变化情况表现为衡量阀门机构磨损状态的一个度量。

本发明所述解决方案的优点尤其是在于：为确定磨损状态在阀门中完全可以不使用压力传感器。另外，本发明所述方法为此提出了以下前提条件：除了确定阀门机构中的摩擦系数改变之外，还单独地确定弹簧刚度系数和I/P转换器参数的改变，并进行诊断分析。此外，本发明所述解决方案尤其适合于单稳阀，其中阀块单元从一侧出发经由前导控制而被操纵，与此相对地，通过复位弹簧进入输出位置。与之不同的是，对于具有双侧前导控制的双稳阀而言，通过确定开关单元的速度变化情况得出关于磨损状态的结论是比较困难的，因为与开关单元相对的两个控制室同时进行进气和排气。

往往只有一个控制室内的压力随I/P转换器而改变，另一个控制室保持恒压。如果知道I/P转换器的特性，则本发明所述解决方案即使在双稳阀的情况下也能使用。

根据本发明的一个改进措施建议：在分析过程中不仅考虑到沿着进气行程、而且考虑到沿着排气行程的多个位置，以便确定在该位置处的速度。由于在I/P转换器处有不同的压力状态，流向连接到阀门的执行单元的压缩空气气流和从该执行单元流出的压缩空气气流的特性、以及阀块单元运动速度在进气和排气行程期间是不同的。当单稳阀排气时，在排气流量和复位弹簧减小的力之间的关系表现为：速度只与I/P转换器的实际打开程度有关，因而速度是恒定的。与之相反，在进气时，流量是恒定的，而开关单元的速度随着开关行程增加而减小。这种速度减小与位置之间的精确关联由复位弹簧的弹力和摩擦力之间的关系来确定。通过在进气行程期间多次确定速度并且随后由此确定速度变化情况，还可以得出弹力变化和气动系统的其它系数。如果附带地在排气行程期间确定开关单元的速度，则可以对气动系统实现更为精确的分析。

根据本发明的另一个改进措施建议：在开关行程内速度变化过程的变化情况与测量日期一起被存储在一个存储器单元内。相应的数据组形成了一个数据库，分析单元可对该数据库进行访问，以便通过比较磨损状态预测由历史记录确定所保存的变化情况。在最简单的情况下，这可以通过外插来实现。如果在阀门工作期间首次确定了变化情况并对其进行存储，则已经可以利用与之相隔一段时间间隔而确定的当前变化情况了解摩擦特性的改变，以便进行磨损状态识别。

变化过程中速度值的减小意味着阀门机构中由于磨损造成的摩擦力增大。但也可能是变化过程中速度值与一个预设值相比增大，这表明阀门机构中的摩擦力减小。在这种情况下可能存在密封泄漏，其在阀块单元进气期间支持往复运动。在本发明范围内也可以考虑对这样的密封泄漏进行分析。

本发明所述的用于确定可通过I/P转换器开关的单稳气动阀门的阀门机构磨损状态的方法能够通过集成位置传感器以确定开关单元沿进气或排气往复行程到达不同位置的时刻来实现。由此测得的开关时刻由连接在后面的分析单元进行分析，在该分析单元中由此以数学方式计算出阀块单元在不同位置处的速度。由此设置一个各值对位置与速度相对应的数据组，该数据组表明了阀门机构的速度情况。通过对在多个阀门开关周期后彼此以一定时间间隔设置的两个速度情况进行对比，可以通过形成差值来确定变化情况，其作为衡量阀门机构磨损状态的度量。如果由所述变化情况识别出在开关往复行程的多个位置处的速度显著减小，则例如意味着阀门机构的磨损继续进行。当然，其它影响测量的参数必须是恒定的。

优选的是，为确定开关点而设置的位置传感器由多个在阀壳内彼此间隔集成的二进制接近开关构成。如果为此采用电感式测量原理，则每个距离传感器与一个集成在阀块单元一侧的永磁体共同作用，当通过阀块单元运动感生出的电压达到最大值时，在一定程度上具有电感性的距离传感器输出二进制信号。作为对此的替代，也可以考虑将定位传感器设计为在阀壳内沿着开关往复行程集成的模拟式路径测量传感器。这种路径测量传感器例如可按照滑动电阻的形式构造，利用其能够确定阀块单元沿开关往复行程的每一任意位置。优选的是，考虑采用无接触式工作的路径测量传感器，以避免传感器处由于摩擦引起的磨损。

附图说明

下面借助附图，连同对本发明的一个实施例的描述，详细说明对本发明加以改进的其它措施。如图所示：

图1是带有以压力传感方式确定工作状态的电子装置的阀门系统示意图，

图2是表示在固定空气进入开口下阀块单元针对不同摩擦力的向上运动速度的图表，

图3是表示在固定空气进入开口下阀块单元针对不同摩擦力的向下运动速度的图表，

图4是表示在摩擦力固定且空气进入开口不同的情况下向上运动速度的图表，

图5是表示在摩擦力固定且空气进入开口不同的情况下阀块单元向下运动速度的图表。

具体实施方式

根据图1，在一个未进一步示出的工艺技术设备中的一个在这里仅以片断表示的管路1中置入了一个处理阀的阀壳2。所述阀壳在其内部具有一个与阀座3共同作用的关闭体4，用于控制流过的处理介质5的量。关闭体4由一个气动调节驱动器10通过往复拉杆7线性地驱动。该气动调节驱动器10通过轭6与阀壳2相连。在轭6上设置了一个数字式的位置调节器9，其带有定位调节装置13。通过位置传感器12将往复拉杆7的往复运动报告给位置调节器的区域。在定位调节装置13内，检测到的往复运动与一个预先给定的额定值进行比较，并且所述气动调节驱动器10根据所确定的调节偏差来进行操控。气动调节驱动器10在定位调节装置13的区域内具有一个I/P转换器14，用于将所确定的调节偏差的电调节信号转换成等效的控制压力。该控制压力通过压力介质导管被传导到气动调节驱动器10的驱动室11。在驱动室11内集成了一个(从外部看不到的)薄膜形式的控制活塞，其驱动往复拉杆7。

通过一个同样分配给气动调节驱动器10的压力传感器9，可对驱动室11内的压力进行测量。压力传感器9将当前所施加的压力报告给分析单元8。当I/P转换器14经由阀块单元4的开关往复行程的一部分确定了一个恒定的打开横截面时(在该打开横截面下通过位置传感器12确定阀块单元4沿进气或排气往复行程到达不同位置的时刻)，分析单元6以数学方式推导出阀块单元4在这些位置处的速度，速度的变化情况表示用于衡量阀门机构磨损状态的度量。分析单元8通过比较，由所存储的速度情况的历史得出磨损状态的诊断分析结果。

分析单元8基于下述数学关系来计算阀块单元4在开关往复行程上的速度情况：仅在一个方向上施加控制压力并在一定程度为单稳的阀门在以产生控制压力的I/P转换器14的恒定打开横截面运动时的速度x’可以近似描述如下：

$\stackrel{\·}{x}=\frac{\stackrel{\·}{m}\mathrm{RT}}{k(x+x_0)+f\left(\stackrel{\·}{x}\right)+p_{0}A}---\left(1\right)$

其中表示阀门滑块的位置，

表示流向执行单元或从执行单元流出的流量，k是弹性系数，kx₀是开始的弹簧压力，f是摩擦力，R是单位气体常数，T是温度，p₀A是环境压力在阀块单元两侧的影响。

尽管该等式可能由于压力气体实际出现的气体膨胀而变化，但通过它可以描述原理关系。流向执行单元或从执行单元流出的流量由I/P转换器14的打开横截面以及I/P转换器14前后的压力关系来确定。为了使执行单元进气，由于馈压输送一侧的压力很高，通常在I/P转换器14两侧有非常高的压差，其典型地约为5巴_rel，在执行单元一侧的压力损失典型地小于1.4巴_rel。由此，在I/P转换器14中出现了超标的流量，其对仅取决于I/P转换器14的打开横截面A_d和通常为恒定的馈送压力的恒定流量产生影响。这样，由前述等式(1)出发得到下列等式：

$\stackrel{\·}{x}~\frac{A_d}{\mathrm{kx}+f\left(\stackrel{\·}{x}\right)+C}---\left(2\right)$

当摩擦力小时，弹力对阀块单元4的运动起主要作用，其速度不断加剧地强烈下降。当摩擦力增大时，在阀块单元运动中弹力的影响下降，并且位置由速度决定。则运动速度在开关往复行程上更为线性或者保持恒定。通过按照本发明来确定不同位置点处的速度，可以确定速度变化情况，从而测量摩擦力。

当阀块单元4复位运动时，I/P转换器14上的压差较小，典型地为1巴_rel。因此流经I/P转换器14的流量超标，并在第一次拟和中与I/P转换器14上的压差成正比。该压力在返回运动中又与当前弹力成正比，从而与位置和摩擦力成正比，这可以通过下列近似公式来表示：

$\stackrel{\·}{m}~A_d(p_{\mathrm{act}}-p_{\mathrm{env}})~A_d\mathrm{kx}+f\left(\stackrel{\·}{x}\right)---\left(3\right)$

如果把这一关系代入到前面的等式(1)中，则简化地得到以下结论：运动速度主要由I/P转换器14的打开横截面来确定。因而通过与弹力或摩擦力无关、仅与I/P转换器14的打开横截面有关的位置来设置恒定的速度。因此，在返回运动时对气动组件的状态进行检查，例如检查是否由于污损等原因妨碍了打开，或者是否改变了I/P转换器14的有效打开与用于I/P转换器14的信号之间的关系。

根据图2，示出了阀块单元在不同摩擦力下的向上运动，其在0％的打开行程时从0％/s的速度开始运动，因而这里首先实现阀块单元的加速，直至达到进一步施加的力或其它力确定运动的速度。这个加速阶段对于本发明所述解决方案而言是不感兴趣的，不再考虑。在这个加速阶段结束刚刚之后，在打开大约10至20％的情况下，显著具有说服力的范围开始。

如果系统中的摩擦力很小，则理论上加速持续进行，直至由于高速而出现的力对其加以限制。但这里这一过程已通过气动系统而加以限制，因此还必须相应迅速地跟踪较高的速度以及用于使驱动室进气的压缩空气。但由于通过输送管路和空气进入开口的压力，所引入的空气是受限的，这里调节驱动器的速度通过所跟踪的空气的量、而不通过摩擦力和机械系统中的其它力来确定。但所引入的压缩空气如前面所述那样是恒定的，由此也得到了近似恒定的速度。这由该图表中最上面的曲线可以看到。现在摩擦增大，因而摩擦力以及机械系统中的其它力也增大。如果摩擦达到一个特定值，则在先前在无摩擦状态所能达到的速度下，这些力大于通过活塞施加压力所产生的力，并且速度下降。这里对力平衡进行调整。现在系统的运动主要通过机械力来确定。适用前面给出的等式(1)。

由于所述机械力由摩擦力以及弹簧弹力共同形成，速度随着阀块单元位置升高而下降，如已经在该图表中所示的。摩擦越强，速度下降越剧烈。这意味着，由如此下降的速度曲线变化过程可以得出关于摩擦力的结论。速度随摩擦力增大而下降，速度下降的增长随摩擦力增大而增大。在第一种设想中，由以下情况出发：即摩擦力已经能够由速度绝对值确定，例如通过与一个来自已经老化的气动调节驱动器的值进行比较来确定。但由于这些曲线还由于所引入的压缩空气的量、通过同样可能改变的压力进入开口而受到影响，这不能直接实现。因而后面的图表用于表明这两种效果之间的区别。

在根据图3的图表中示出了阀块单元向下运动时的关系，这里弹簧在下降位置的松弛力以及由于驱动室内的低压导致的流出空气减少得到补偿。这样同样得到了恒定的速度，但它与摩擦力无关。

在图4中示出了阀块单元在不同横截面开口下的向上运动，因为其它空气传导也可能会对速度造成影响。空气传导的改变导致阀块单元的速度不同；但这种效应与阀块单元的位置无关，得到了近似恒定的速度，该速度仅分别处在与打开横截面相应的另一水平。

因此，由速度绝对值不能直接得出由于摩擦造成的效果的结论。但如果考虑速度变化的增大，则可以对摩擦力做出指示。因此，如果把绝对值以及相对于针对未老化的阀门机构的输出值的增长进行比较，则可以由此得到两个误差量：即由于打开横截面和摩擦力在气动系统中导致的变化。从而可以通过这种诊断分析来确定这两个量。但是也可以简单地仅考虑增大，以由此确定摩擦力。

另外，这也可以通过下述方式来扩展：即更为详细地研究速度下降的形式。由于f(dx)项对于不同摩擦形式可得到不同的项，速度变化过程的具体形式由主要摩擦形式来确定，对于不同的摩擦类型具有不同的表现。因此，由速度下降的变化可以得出关于摩擦类型的结论。

在根据图5的图表中示出了阀块单元在不同横截面开口下的向下运动。其大体上与图3类似，但速度由于不同的横截面开口而变化。

本发明不限于前面提到的优选实施例，而是也可以考虑各种改动，这些改动也包括在后面要求保护的技术方案的保护范围内。因而本发明尤其是不限于气动调节驱动器。同样，该解决方案也可以应用于其它座阀或滑阀，在这些阀门的情况下，在开关行程期间可以对驱动阀座的闭合体的速度情况进行监控。

附图标记列表

1  管路

2  阀壳

3  阀座

4  阀块单元

5  处理介质

6  轭

7  往复拉杆

8  分析单元

9  压力传感器

10 气动调节驱动器

11 驱动室

12 位置传感器

13 位置调节器

14 I/P转换器

Claims (12)

1.一种用于以电子方式确定阀门系统的阀门机构磨损状态的方法，所述阀门系统的可轴向移动地设置在阀壳(2)内的弹力复位阀块单元(4)通过经由I/P转换器(14)所施加的控制压力而移动，其特征在于，

I/P转换器(14)至少在一部分开关行程上确保恒定的打开横截面，在该打开横截面下通过位置传感器装置(12)确定阀块单元(4)沿进气或排气行程到达不同位置的时刻，由此通过分析单元(8)以数学方式推导出阀块单元(4)在这些位置处的速度，将速度变化情况作为衡量阀门机构磨损状态的一个度量。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述阀门系统是气动调节驱动器。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过沿进气和排气行程的多个位置进行分析，以确定在该位置处的速度。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，开关行程上的速度变化情况与测量数据一起存储在分析单元(8)的存储单元内。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，分析单元(8)通过比较，由所存储的速度变化情况的历史得到磨损状态诊断分析结果。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，在开关行程期间，阀块单元(4)的速度在I/P转换器(14)以恒定程度打开的情况下基于下列公式推导：

$\stackrel{\·}{x}~\frac{A_d}{\mathrm{kx}+f\left(\stackrel{\·}{x}\right)+C}.$

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，在速度变化情况中由于摩擦减小而导致的速度值提高被分析为密封泄漏。

8.一种阀门系统，该阀门系统的可轴向移动地设置在阀壳(2)内的弹力复位阀块单元(4)通过端侧的控制活塞经由I/P转换器(14)所施加的控制压力而移动，其中设置了用于确定阀门机构磨损状态的电子装置，其特征在于，

所述I/P转换器(14)至少在一部分开关行程上保持恒定的打开横截面，在该打开横截面下，位置传感器装置(12)确定阀块单元(4)沿进气或排气行程到达不同位置的时刻，分析单元(8)由此以数学方式推导出阀块单元(4)在这些位置处的速度，速度变化情况表现为衡量阀门机构磨损状态的一个度量。

9.根据权利要求8的阀门系统，其特征在于，所述阀门系统是气动调节驱动器。

10.根据权利要求8的阀门系统，其特征在于，所述位置传感器装置(12)被构造为二进制接近开关。

11.根据权利要求8的阀门系统，其特征在于，所述位置传感器装置(12)被构造为在阀壳(2)内沿开关行程集成的模拟式路径测量传感器。

12.根据权利要求8的阀门系统，其特征在于，所述阀块单元(4)被构造为通过I/P转换器(14)在一侧施加控制压力并经弹力复位的阀杆。

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