CN116171359A - 在调节阀的预紧驱动装置中的弹簧断裂识别 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别调节阀的预紧的驱动装置中的弹簧断裂的方法。该方法基于在弹簧断裂或失效之后为了达到一定的阀芯位置所必须施加的力显著降低。通过这种方式，在预紧的驱动装置内的弹簧断裂能被可靠地利用已存在于调节阀内的传感器系统来识别，确切说不必干扰或中断连续工作。

Description

在调节阀的预紧驱动装置中的弹簧断裂识别

技术领域

本发明涉及用于识别在调节阀的预紧的驱动装置中的弹簧断裂的方法。调节阀可以设计成旋转阀或行程阀。它们通常在过程技术设备或工艺技术设备中被用于控制或调节过程或过程介质。其它应用例子是太阳能热设备或近程或远程供暖系统。除了控制和调节应用外，调节阀也作为安全阀被用于保护设备或过程。

调节阀一般具有驱动装置或致动器和用于控制或调节过程或过程介质的活动的阀芯。驱动装置或致动器在此作用于阀芯驱动杆。它大多位于流体密封的阀壳体外。阀芯的驱动杆与此相应地被引导穿过流体密封的壳体，其中密封(例如密封)相对于壳体对外密封驱动杆。

在驱动杆与密封之间通常出现磨损。例如因沉积、磨耗或腐蚀或在驱动装置中的其它密封而出现其它磨损。调节阀部件或调节阀本身的有误安装也可能导致调节阀部件的磨损和不希望的承受载荷。

流体驱动装置一般用作用于使驱动杆运动的驱动装置。在许多情况下采用气压驱动装置，在此为了使驱动杆运动，一个腔室被填充或排出压缩空气。

在安全相关阀门或安全阀的领域中通常采用气压驱动装置，其在一侧被弹簧力预紧。压缩空气在此总是与预紧驱动装置的弹簧力反向作用。当驱动装置被泄压、即压缩空气从驱动装置的腔室泄出时，预紧的驱动装置通过弹簧力的作用独立移动到安全的位置或安全位置。这例如在电流-压力(l/P)换能器或电磁阀不再被通电时进行。

在安全阀的情况下，阀在正常工作中是常开的，并且在故障情况(例如断电)下阀自动关闭。如果人们现在将驱动装置泄压，则一旦弹簧力已经克服或许存在的静摩擦挣脱阀芯，阀就开始关闭。安全位置自然也可以是断电打开(驱动装置泄压)和通电关闭(驱动装置供压)。

阀芯的位置或行程一般与关闭位置相关地来说明。如果阀芯的位置或行程用0来说明，则阀芯位于关闭位置。如果阀芯的位置或行程用100％来说明，则阀芯位于与打开位置相对的位置。该位置对应于全开的阀。

在许多情况下，一个弹簧组中的一个或多个弹簧的弹簧力被施加。所述弹簧在此通常设计成金属卷簧(尤其是钢)并且平行布置，从而一些弹簧的弹簧常数或弹簧力相加。空气弹簧或弹性(胶)垫也可以被用于预紧。

预紧的驱动装置的弹簧的断裂或损伤可能导致安全阀失效或至少导致更长的反应时间。但在许多安全关键应用场合中，这是不可接受的并且相当于阀失效。另外，可能出现驱动装置或阀芯的不均匀负荷，由此该驱动装置的推力可被减小并且阀的工作范围可能受限。在关闭位置中的减小的阀座负荷和随之而来的泄漏也可以是一种结果。另外，不均匀承受负荷的部件的磨损加剧。弹簧的断裂或损伤因此在许多情况下预示调节阀的其它弹簧或部件即将失效。

一般，弹簧的断裂或损伤可能归结于一系列因素如弹簧的腐蚀或疲劳。驱动装置或调节阀的其它部件的结构性失效以及安装有误也可能引起弹簧的断裂或失效。

弹簧在断裂时不一定必然破碎成两个以上的部分。弹簧也可以塑性变形或弯曲。弹簧固定于此的焊缝可以破裂并且导致弹簧的滑移或倾斜。在空气弹簧或胶弹簧的情况下，隔膜可能破裂或爆裂。因此当弹簧的弹簧常数以弹簧丧失其功能或作用或对驱动装置的预紧未作出贡献或仅作出减弱许多的贡献的方式改变时，一般提到弹簧断裂。

现有技术

在现有技术中已经找到各种不同的方法用于识别在调节阀的预紧的驱动装置中的弹簧的断裂。在专利文献US4,976,144A中例如提出一种台架故障诊断方法。为此，在测试工作范围内阀芯移动，并且记录在驱动装置供压时以及在驱动装置泄压时的行程-压力曲线。两条曲线因为磨损而不一样。它们限定一个被称为阀图例的区域。行程-压力曲线的斜率是用于弹簧组的弹簧常数的尺度。弹簧失效依据这个或这些斜率的变化来识别。

相似地，在DE102015225999A1中绘制在启闭时的工作参数的时间曲线，其允许推断出启闭所需的力。一个弹簧的断裂在此依据启闭阀所需要的力的改变被识别。

为了避免用于识别弹簧断裂的测试运行，在公开出版物WO2004/074947A1中提出依据在连续座中所记录的行程-压力曲线计算弹簧常数。为此，以测试方式使阀芯移动一小段距离并且又返回到初始位置。弹簧断裂又依据此时所记录的行程-压力曲线的斜率被识别。

实用新型专利文献DE29612346U1公开一种替代的开始方法。在此，阀芯虽然也部分移动。但弹簧常数没有在所属的行程-压力曲线的斜率范围内、而是在此时走过的时间段范围内被确定。如果一个弹簧断裂，则必须给驱动装置供应或排走少量压缩空气以使阀芯运动。与此对应，驱动部件的反应时间缩短，这被用于识别弹簧的断裂或失效。

在公开出版物WO2009/111101A1中，阀芯的行程-压力曲线和反应时间的斜率也被用到用于确定弹簧常数变化的预定行程变化上，以识别弹簧断裂或失效(也见第3.5章《阀门故障诊断》的拉尔夫·赫布里希的“调节阀断裂”)。

已知方法基于阀芯的行程-压力曲线或反应时间的斜率变化的识别。阀芯在此必须在一定行程范围移动，其中相应的行程Δ必须高出一定范围以便能安全计算斜率或反应时间。这正好在静态过程中不总是可行的或可能导致不希望的过程故障。另外，在弹簧断裂之后持续一段时间，直到发现它。但这可能在许多情况下太晚。另外，如果在该方法期间该过程状况或过程介质状况改变，则这直接进入所述分析中，从而弹簧断裂未被识别或者被错误识别。在行程-压力特性曲线中的例如可能因进入密封件或密封中的凹陷或不规则也可能导致误读并错误地写为弹簧断裂。

发明内容

本发明的任务是指明一种方法，借此能更可靠简单地识别在调节阀的预紧的驱动装置中的弹簧的断裂，确切说未干扰或不必中断连续工作。

解决方案

该任务通过独立权利要求的主题来完成。独立权利要求主题的有利改进方案在从属权利要求中被表明特征。所有权利要求的措辞兹被援引成为本说明书的内容。

单数的使用不应该排除复数，反之亦然，除非另有所述。

以下将详细描述一些方法步骤。该步骤不一定必须按照所指明的顺序来执行，并且要提出的方法也可以具有其它的未提到的步骤。为了完成该任务，提出一种用于识别在调节阀的预紧的驱动装置中的弹簧的断裂的方法，其中该调节阀被指定用于是过程以过程介质在其上运行的设备的一部分。调节阀在此具有以下部分：

-用于影响在该设备上运行的过程介质和/或过程的阀芯，

-气压驱动装置，其设立用于定位阀芯以影响过程介质和/或过程，其中该气压驱动装置具有预紧该驱动装置的弹簧，

-用于测量阀芯实际位置的位置传感器，

-用于测量气压驱动装置内的实际压力的压力传感器。

该方法包括以下步骤：

1.确定或设定阀图例，其中该阀图例允许给每个阀芯实际位置分配在具有未损伤的弹簧的调节阀的工作中可达到的压力的范围。

2.借助位置传感器在一个时刻测量阀芯实际位置。

3.借助压力传感器在该时刻测量气压驱动装置内的实际压力。

4.查明弹簧是否断裂，其中如此查明弹簧断裂，被测的实际压力小于每个可借助阀图例被分配给阀芯实际位置的所述压力，和/或被测的实际位置大于每个可借助阀图例被分配给被测的阀芯实际压力的所述位置。

5.如果查明了弹簧断裂，就发出通报。

弹簧的断裂或失效在许多工作情况下几乎瞬间进行，即，失效的弹簧的预紧力在与阀调节和/或获得力平衡的典型时间刻度相比很短的期间内减小。由于在弹簧、驱动装置或致动器与阀芯之间的直接作用线，出现阀芯的驱动装置或致动器的特性的也近似瞬间的改变。在弹簧断裂或失效之后为了达到一定阀芯位置所需施加的压力显著长期降低。所提出的方法利用系统性过低的压力以利用为了调节阀芯位置而存在的传感器系统识别弹簧的断裂或失效，确切说不必中断连续工作或被附加措施干扰。紧接在弹簧的断裂或失效之后，在作用于阀芯的所述力之间一般不存在平衡，其包含由气压驱动装置中的压缩空气施加到阀芯的力以及当驱动装置被泄压时使阀芯移动到安全位置的弹簧力。在这样的非平衡状况下，阀芯实际位置与气压驱动装置的实际压力的关联取决于在平衡状况中无关紧要的许多因素。但只能很困难地获得或完全无法获得这些系数。因此，基于借助阀芯实际位置和气压驱动装置的实际压力的弹簧常数(或者与之直接关联的参数例如用于使阀芯从第一位置运动到第二位置的反应时间)的确定的方法不可用或利用这些方法只能在又形成力的平衡才识别出一个弹簧的断裂或失效。这或许可能太晚了。所提出的方法可以已经在非平衡状况中且因此比可利用现有技术所描述的方法做到地早许多且更可靠地识别出弹簧断裂。

该方法基于在一定时刻的阀芯实际位置和气压驱动装置实际压力的测量。在其它时刻或各不同时刻的进一步测量不是必须的。随着进一步测量而来的延迟和/或例如通过改变过程条件或过程介质条件造成的干扰影响可以通过这种方式被减轻或甚至避免。

调节阀可以包括位置调节器，其借助气压驱动装置和位置传感器调节阀芯位置。位置调节器可以设立用于在正常调节工作中以附加故障诊断功能形式实现所提出的方法。它还可以设立用于在识别弹簧断裂或失效时产生表述断裂或失效的数据。该数据可以存储在位置调节器中或被传输给设备控制台。在其它实施方式中，数据可以在借助位置调节器和/或调节阀和/或控制台的合适的显示装置的故障诊断显示中被进一步处理。

阀图例可以借助在位置调节器、调节阀或控制台上的输入掩码被确定或设定。这可以通过明确设定对应配属于阀芯位置的压力范围来进行，和/或通过借此确定由测量得到的压力范围的校准周期来进行。相应数据可以被存储在存储器中并被调用以执行该方法。校准周期例如可以在位置调节器或调节阀安装之前或之时开始。

通过这种方式，所用的阀图例可以个别适配于调节阀的具体安装状况以及被用于预紧的弹簧。另外，可给阀图例增加容许误差，其能适配于当前的应用场合以避免误报。

阀图例还能按定期间隔被更新。更新尤其可以在连续工作中进行或在维护周期范围内进行。由此可以在所提出的方法中将阀、阀芯、驱动装置且尤其是密封磨损和脏污纳入考量。该方法因此设计得更可靠。

可从阀图例中推导出断裂图例，其允许给每个阀芯实际位置分配在弹簧断裂时可达到的压力的范围。在此，弹簧断裂可被如此查明，被测实际压力对应于一个压力，该压力借助断裂图例可对应配属于被测的阀芯实际位置。

在简单情况下，断裂图例包括如下压力，其小于每个可借助阀图例被对应配属于阀芯实际位置且为正的所述压力。

断裂图例也可以通过将阀图例乘以一个系数来计算，该系数模拟弹簧的断裂或失效。如果驱动装置例如用n个相同或至少相似的弹簧被预紧，则阀图例能乘以系数(n-1)/n。与阀图例的可能交叉区域在此可以从断裂图例中扣除。另外，断裂图例还有阀图例可以具有容许误差范围以免误报。

断裂图例也可以从平均值起来计算。关于阀芯的每个实际位置，可以求出例如压力平均值P，其可以借助阀图例被对应配属于阀芯实际位置。断裂图例的相应压力范围于是可以例如通过以下间隔来说明：[((n-1)/n)P(1-δ)-ε,((n-1)/n)P(1+δ)+ε]，其中，δ是比例，ε是图例的恒定宽度。通过这种方式可以模拟例如与被测压力成比例的测量误差以及通常给阀图例提供恒定贡献的磨损并且将其纳入该方法中。断裂图例也可以被补充其它修正系数以考虑对阀芯、驱动装置或传感器的干扰影响。P还可以表示压力的算术平均值或通过压力的其它权重来计算。

通过设定断裂图例，该方法的可靠性可被提高并且还适配于当前应用情况。如果驱动装置的预紧机构包括不同的或作用于驱动装置的不同点的多个弹簧，则断裂图例可以针对每个弹簧被个别设定。断裂图例之和在此可以包括离散区域。通过这种方式，不仅可以识别碳的断裂或失效，也或许作出对哪个弹簧断裂和/或弹簧在驱动装置的哪个区域中断裂的说明。

断裂图例可以包含修正系数。利用这样的系数，例如可以考虑在确定锥面、驱动装置的隔膜面时的改变或误差、在阀芯的压力或位置测量时的误差。

弹簧的断裂或失效在许多工作状况下引发阀芯的克服用以预紧驱动装置的弹簧力的自发运动。该运动具有表征性能，其可被用于在所提出的方法范围内识别弹簧的断裂或失效。为此，阀芯实际位置可以在各不同时刻以及气压驱动装置内的实际压力在各不同时刻被测量和记录。弹簧断裂可以在此被如此确定，所记录的实际位置和实际压力被分析是否出现阀芯的克服弹簧力的自发运动，其中该自发运动表征阀芯紧接在弹簧断裂之后的运动。

通过这种方式，可以利用在阀芯位置调节时本来就已获得的信息。该方法的可靠性还可以被进一步提高。

阀芯克服弹簧力的自发运动的出现可以在方法范围内借助在自发运动中流逝的时间、在自发运动中所走过的距离、在自发运动中出现的此时驱动装置被调节以使阀芯实际位置与理论位置一致的与理论位置的最大偏差、在自发运动中出现的速度和/或加速度、在自发运动中在行程-压力曲线图和/或位置值和压力值的预定范围内所扫过的面积来识别，其中该预定范围包含通过测量和/或计算获得的在弹簧断裂时的阀芯运动变化过程。所扫过的面积在此可以关于阀芯理论位置来形成。

自发运动决定性地受到如何调节阀芯的类型和方式的影响。许多情况下在此采用位置调节器。但位置调节器的功能也可以由设备控制台的一部分担负。驱动装置的压缩空气供应源、尤其是以此提供压缩空气的压力具有另一决定性影响。

该调节器抵制在弹簧断裂或失效之后的阀芯自发运动。如果没有调节器，则在弹簧断裂之后的阀芯位置将移动到一个较大行程。如果借助位置传感器识别出这样的阀芯运动，则该驱动装置一般被泄压以使阀芯又移动到该调节器作为理论位置所设定的位置。

该方法允许考虑不同的因素和随之而来的在弹簧断裂或失效后的阀芯运动时间刻度。它也可以适配于驱动装置和阀芯在调节阀内的安装状况和调节阀在设备内的安装状况。例如由磨损或沉积造成的改变也可予以考虑。

也可以采用模式识别方法和/或机器学习方法以识别在弹簧断裂或失效之后的阀芯自发运动。

如果该驱动装置用不同的弹簧被预紧，则该方法可设立用于识别其中哪个弹簧断裂或失效。这例如可借助用于每个所述弹簧的运动变化过程来获得。

在查明弹簧断裂时可以考虑调节阀的实际工作状况和/或主导参量。通过这种方式，例如由设备控制台设定且暂时又被改变(例如因为干扰情况)或因为当前过程而出现的阀芯运动可以与因弹簧的断裂或失效造成的阀芯自发运动区分开。如果弹簧断裂或失效借助断裂图例被查明，则所述因素也可以被纳入断裂图例中。

调节阀可以具有一个或多个用于测量过程介质压力的传感器。因此可以确定过程介质对阀芯和驱动装置的反作用并且例如以介质流入修正由驱动装置的压力传感器所测的压力值。因此例如可以借助两个传感器来确定调节阀内的压力降低和随之而来的过程介质通过阀芯施加至驱动装置的力。通过这种方式可以识别导致阀芯自发运动的过程介质压力的波动。

该任务还通过一种位置调节器来完成，其是具有预紧驱动装置的调节阀的一部分，其中调节阀指定用于是设备部分，过程以过程介质在其上运行。调节阀在此具有以下组成部分：

-用于影响在设备上运行的过程介质和/或过程的阀芯，

-气压驱动装置，其设立用于定位阀芯以影响过程介质和/或过程，其中气压驱动装置具有预紧该驱动装置的弹簧，

-用于测量阀芯实际位置的位置传感器，

-用于测量气压驱动装置的实际压力的压力传感器。

位置调节器在此包括适于执行本发明方法的步骤的机构。

包含造成前述位置调节器执行本发明方法的方法步骤的指令的计算机程序也完成该任务。

该任务还通过其上存储有刚刚所述的计算机程序的数据组载体来完成。

其它的细节和特征来自以下结合图对优选实施例的说明。在此情况下，各自特征可以本身单独地或多个相互组合地实现。完成该任务的可能方式不限于所述实施例。

实施例在图中被示意性示出。在这些图中的相同的附图标记在此表示相同的或功能相同的或关于其功能彼此对应的零部件，具体示出了：

图1示出具有预紧的驱动装置的调节阀；

图2示出具有预紧的驱动装置的调节阀部分；

图3示出具有运动轨迹的行程-压力曲线图；

图4示出行程-压力曲线图的局部；

图5示出行程-压力曲线图的局部连同运动轨迹的另一图示；和

图6示出本发明方法的过程图。

图1示出具有阀壳体105的“气闭式”调节阀100。阀壳体105包括入口110、出口115、阀座120和带有阀锥130的阀芯125。借助阀锥130或阀芯125可以调控或控制该过程介质流过调节阀100。过程介质在此经由入口110流入调节阀100并且经由通过阀座120和阀锥130形成的流通口和出口115离开阀100。过程介质也可以在相反的方向上流过调节阀100。

此外，阀芯125具有驱动杆或阀杆135，其中阀锥130被固定在驱动杆或阀杆135的下端上。为了关闭阀100，阀锥130借助阀杆135被移动向阀座120。为了打开，阀锥130或阀芯被反向运动。通过这种方式，调节阀100的由阀座120和阀锥130形成的通孔的尺寸可被扩大或减小，因此流体介质或过程介质的流通量通过调节阀100被控制。

阀芯125被引导穿过阀壳体105内的开口185。阀壳体105具备布置在开口185内的密封填料180。密封填料180相对于阀壳体105密封阀芯125。

为了移动阀芯125或阀锥130，调节阀100具备气压驱动装置140。气压驱动装置具有腔室145，其被供压或泄压以使阀芯125移动。位于腔室145中的空气的压力用压缩空气传感器150来测量。

驱动装置140被位置调节器155控制，其所连接至的压缩空气传感器150被集成在驱动装置140中。位置调节器155具有用于通过驱动装置140控制阀芯125运动的位置传感器160。位置传感器160在所示例子中被设计成磁性传感器，其检测磁铁165的位置。磁铁165固定联接至驱动杆135。磁铁165的位置因此说明阀芯125的位置，至少在阀100的工作区域范围内。

驱动装置140通过弹簧组170被预紧。在示意性所示的布置中，弹簧组170具有六个螺旋弹簧175，其中三个布置在剖切平面之前、三个在其后。螺旋弹簧175是钢弹簧且平行布置，从而通过弹簧175的弹簧常数之和得到弹簧组170的弹簧常数。

所提出的方法在阀100的工作中由位置调节器155执行。这在与借助位置调节器155的阀芯125位置调整并行地进行的故障诊断功能范围内实现。为此，记录和分析在所述调整中所测量和记录的阀芯125位置以及在气压驱动装置140的腔室145内的压力。通过这种方式可以识别其中一个弹簧175的断裂或失效，确切说调节出在由腔室145内的压缩空气施加到阀芯上的力与由留下的或未受损的弹簧175施加至阀芯125的力之间的平衡。

图2示出调节阀200的局部，其结构几乎与调节阀100相同。它也具备阀壳体205、入口210、出口215、阀座220和用于阀200的打开或关闭的阀芯225，其中阀芯225由阀锥230和阀杆或驱动杆235构成并且利用密封填料280相对于阀壳体205被密封。阀芯225的位置也借助位置调节器255、为此被位置调节器255的驱动装置(未示出)和位置传感器260被调整。调节阀200的驱动装置例如可以用三个弹簧被预紧。调节阀200在阀壳体205内具有另外两个压力传感器290、295，它们与位置调整器255相连。借助压力传感器290、295，可以测量在经过阀座220之前或之后的过程介质压力。

借助传感器290、295，位置调节器255实现所提出的方法的扩建阶段，此时考虑阀壳体205内的过程介质压力。为此，用传感器290确定在传感器290位置上或在阀座220或阀锥230的朝向入口210的一侧的过程介质压力P1。相应地，借助传感器295确定在传感器295位置处的或在阀座220或阀锥230的朝向出口215一侧的过程介质压力P2。可以用压力P1和P2来计算或至少估算该过程介质施加至阀锥230、阀杆235或阀芯225的力。该力尤其导致阀图例位移。该位移一般取决于连续过程。它在所提出的方法的扩建阶段中被用来修正在调节阀200的气压驱动装置内的被测的实际压力。

通过这种方式可以避免由与过程相关的作用于阀芯225的力引起的误报，该力在其作用于被测实际压力时类似于在弹簧断裂时的力。借助这种修正，也可以识别由过程介质波动所引起的阀芯225自发运动并且与依据其中一个弹簧的断裂的阀芯225自发运动区分开。另外，阀图例可以动态适配于调节阀200的工作状况。同样情况适用于断裂图例，其还在方法执行时被位置调节器予以考虑。另外，该方法的敏感性可被提高，因为阀图例或断裂图例的与过程相关地位移向气压驱动装置内的较高压力被识别，进而实际压力可被对应配属于弹簧断裂，其无修正地位于阀图例内或位于断裂图例上方并因此不会被对应配属于弹簧断裂。

位置调节器255可以为此配备有修正模型，其利用传感器290、295的压力值计算用于自作用于阀驱动装置的介质反作用的干扰力的近似值。所述计算例如允许禁止一定特征的检查。这将避免不当指明失效，但同时减少可供使用的特征或指标的数量。因而就此可以考虑使特征例如像阀图例或断裂图例适配于这个或这些过程介质压力的改变。

过程介质对阀锥230或阀芯225的力可以为此例如减小至两个主要值，它们可借助阀锥230至阀座220平面的投影的面积A1与对应于面积A1和阀杆235的横截面面积之差的面积A2来计算或估算。过程介质施加至阀锥230、阀杆235或阀芯225的干扰力于是可以利用差矢量(P1·A1-P2·A2)·e来说明或估算，其中，e是单位矢量，其平行于阀杆235延伸并且指向调节阀200的驱动装置。

图3示出行程-压力曲线图300。行程-压力曲线图300包括阀200的工作区域，其从打开位置(行程＝0％，压力＝P_0％)延伸到关闭位置(行程＝100％，压力＝P_100％)，以及包括阀芯225的理论位置X₀。位置调节器255调整调节阀200的气压驱动装置，使得阀芯225的实际位置与理论位置X₀重合。阀芯225在此在曲线图300内在阀图例310中运动。借助阀图例310，每个阀芯225实际位置可以对应配属于在具有未受损的弹簧组的调节阀200工作时能达到压力范围。阀图例310包括供压曲线315和泄压曲线320。供压曲线315限定最高压力，其借助阀图例310可对应配属于阀芯225实际位置。泄压曲线320限定可借助阀图例310对应配属于阀芯225实际位置的最低压力。曲线315、320之差是出现在阀芯225例如沿密封填料280运动时的摩擦的尺度。

图3还示出中间值曲线325。中间值曲线325表示供压曲线315和泄压曲线320的算术平均值。中间值曲线325被用于推导具有中间值曲线335的断裂图例330。为此，曲线325用系数(3-1)/(3)被缩放以计算断裂图例330的中间值曲线335。接着将中间值曲线325与供压曲线315之差添加至中间值曲线335，以限定直至高压的断裂图例330的上边界曲线340。中间值曲线325与泄压曲线315之差相应地从中间值曲线335中扣除，以限定直至低压的断裂图例330的下边界曲线345。

如果在实际位置和实际压力测量时所属的值对位于断裂图例330内、即在上边界曲线340与下边界曲线345之间，则可以假定调节阀200的预紧的驱动装置的三个弹簧之一断裂。

调节阀200的预紧的驱动装置的三个弹簧之一的断裂导致阀芯225偏移，其被位置调节器255测量。位置调节器255接着调整阀200的压驱动装置，以又使阀芯225返回到初始位置或理论位置X₀。曲线图300示出运动轨迹350，其表示在调节阀200的三个弹簧之一断裂之后的阀芯225的可能运动。

此外，图3示出运动轨迹355。运动轨迹355表示在无位置调节器255微调下的阀芯225的特性。

在调节阀200的连续工作中，阀芯225的位置通常由位置调节器255控制并且在故障诊断功能范围内被检查其中一个被测实际压力与阀芯225实际位置一起是否位于断裂图例330内。如果是这种情况，则位置调节器225发出预紧的驱动装置的三个弹簧之一失效的通报或警告给设备控制台。

图3示例性示出，调节阀200的驱动装置或致动器的工作特性的由弹簧失效造成的变化可被简单理解为将第一特性曲线族(阀图例310)更换为第二特性曲线族(断裂图例330)。在此，每个特性曲线族包括三条行程-压力特性曲线(例如阀图例310的特性曲线315、320和325或者断裂图例330的特性曲线335、340和345)，它们从文献中归纳地也被称为致动器-阀系统的图例。

中间值曲线325可被理解为理想特性曲线。特性曲线对应于压力和弹簧力的平衡。因为有摩擦，理想特性曲线实际上在许多情况下是可识别的。例如阀芯225在从0％到100％的失控行程中有效地沿高于理想特性曲线地平行延伸的虚线所示的真实正向特性曲线315变化。在那里，有效作用于弹簧组的力通过摩擦被减小。该运动落在无摩擦的真实状况之后。当反向移动时，阀芯225沿位于理想特性曲线下方的同样虚线所置的反向特性曲线320变化。在三条所解释的特性曲线之间的示例性所绘且一样大小的平行偏差对应于摩擦恒定的简化性假设。摩擦可以取决于方向、位置和其它情况。例如该密封填料280可被移入某些阀位置区域中且因此对阀芯225施加较小的摩擦。

位置调节器255的调整策略可以设立用于将阀芯225调节到预定的目标位置X₀，就像在图3的示例性草图中所绘制的那样。阀芯225的属于目标位置X₀的工作点原则上可以位于在行程-压力曲线图300内的正向特性曲线315与反向特性曲线320之间的线条中。

理想特性曲线上的正常工作点通常被视为优选的，尤其是在对称干扰力的情况下，其使阀芯225离开理论位置X₀。在此情况下，在两个方向上脱离目标位置所需要的力几乎等于静摩擦力。在正向特性曲线315或反向特性曲线320附近的目标位置可以被视为不受单向干扰力影响，因为在那里为了在一个方向上脱离目标位置除了静摩擦力外还要克服致动器的预紧力。在本申请中所解释的方法通常与优选的正常工作点的位置无关。

在致动器弹簧组中的弹簧的在此所关注的失效缺陷可以被理解为其特性曲线族的变化。在曲线图300中靠下的特性曲线族330代替以前的特性曲线族310。特性曲线族330因弹簧组的弹簧常数的减小而可以识别出更平缓的走向。在示例性状况中，假定一组三个相同配置的弹簧中的一个弹簧的失效。与此相应，在该图示中，特性曲线族330的理想特性曲线335的斜率被确定为特性曲线族310的理想特性曲线325的斜率的2/3。另外假定摩擦力不受弹簧失效的影响。这在实际情况中可能是不同的。尤其是，可能因一个弹簧的失效出现相比于推杆235偏心的总力，其影响在其导向机构或密封填料280中的摩擦。

图4示出行程-压力曲线300的局部400。在此绘制出三个特性参数，其可被考虑用于表征阀芯225的克服弹簧力的运动轨迹350或所属自发运动，其包括：

·最大偏差410，

·压差420，和

·所扫过的面积430。

最大偏差410是在理论位置Xo与阀芯225沿运动轨迹350所处的位置之间的最大差异。

压差420表示在调节阀200的三个弹簧之一断裂前后为了将阀芯定位在Xo处(见图3)所需要的压力差。所扫过的面积430是在运动轨迹350与从运动轨迹350的起点到终点的直线之间的距离。

用于特性参数的值借助模拟该调节阀200的三个弹簧之一的断裂被确定并且在借助输入掩码的安装时被存储在位置调节器255的存储器单元中。该值可以在位置调节器255为了识别在调节阀200的预紧的驱动装置中的其中一个弹簧的断裂所执行的方法的扩建阶段范围内被检查。如果阀芯运动被记录且存在与全部的存储值或主要部分的存储值的一致，则可以假定弹簧之一断裂。位置调节器在此情况下发出相应的警报。调节阀200的功能应随后被检查并且或许出了缺陷的弹簧组被停用或更换。

图5示出行程-压力曲线图300的局部500，其具有与局部400相同的范围。其中示出了一些测量点510。通过测量点510形成运动轨迹350。另外，绘制出窗520。窗520表明位置值和压力值的与位置相关的范围。

用窗520形成的区域包括在其中一个弹簧断裂时的阀芯的可能运动变化过程。该窗如用于特性参数410、420和430的值一样通过模拟或近似计算来确定并且在借助输入掩码的安装时被存储在位置调节器255的存储器单元中。在位置调节器255为了识别在调节阀200的预紧的驱动装置中的其中一个弹簧的断裂所执行的方法的扩建阶段范围中可以检查在阀芯运动时所记录的测量点是否在窗520内。如果是这样的情况，则这是其中一个弹簧断裂或失效的强烈象征。另外可以确定其中有多少测量点位于一个窗520内。存在于窗520内的测量点的数量也可以被考虑用于识别其中一个弹簧的断裂并且例如以直方图形式被绘制、分析和存储。

窗520也可以通过测量来确定。示例性测量可以在调节阀处进行，其弹簧组被减少一个弹簧。在相同明确规定的弹簧的情况下，该结果并不主要取决于弹簧的选择。直接测量首先揭示断裂图例330的上边界曲线340和下边界曲线345。理想特性曲线335可以在假定摩擦与方向无关的情况下通过求平均值来逼近。但是，在本示例性情况下不需要理想特性曲线335的知晓。

图6示出本发明的方法600的一个优选实施方式的过程图。该方法以步骤610开始，在该步骤中尤其设定方法参数例如像阀图例。在步骤620中，阀芯的实际压力和实际位置在一个时刻被测量。在步骤630中，依据被测的实际压力和被测的实际位置来判断如何继续该方法。如果未发现弹簧断裂，则该方法以步骤620继续。如果依据被测值确定有弹簧断裂，则在步骤640中输出警报或故障通报并且结束该方法。该方法可以作为故障诊断功能来执行，其例如在调节阀的位置调节器或设备的控制台中实现。只要未发现弹簧断裂且该方法被结束，则气压驱动装置的实际压力和阀芯的实际位置被定期确定。这例如可以用5Hz、10Hz、100Hz、200Hz或500Hz的固定速率进行。如果发现弹簧断裂，则调节阀的驱动装置可被泄压。还存在的弹簧力随后使阀芯移动到安全位置。通过这种方式，可以预防其它弹簧断裂或调节阀失效。

词汇表

设备

设备是技术组成部件按计划的排布。所述组成部件可以包含机器、仪器、机构、存储器、管线或输送段和/或控制件或调节件。它们可以在功能、控制技术和/或安全技术上彼此相连、布线连接或逻辑关联。

设备在许多不同领域为了各种各样目的运行，其中例如包含在许多情况下归于化工业的方法技术设备或工艺技术设备。术语设备也包括精炼厂、远程供暖系统、地热或太阳能热设备、食品生产设备、淡水供应设备或废气处理设备、沼气设备等。

驱动装置或致动器

驱动装置或致动器是如下单元，其将例如位置调节器或控制计算机的信号或信号序列转换为机械运动或物理参数如压力或温度的变化。驱动装置或致动器因此适于控制或调整例如方法技术设备的过程。该信号或信号序列大多被电传输或以无线电技术来传输并且可设计成模拟式或数字式。驱动装置可以是电驱动装置或流体驱动装置，其中流体驱动装置可以或是液压工作的或以压缩空气工作。

输入掩码

输入掩码是图形用户界面或用户接口，以此能借助图形符号或控制件操作应用软件。它尤其用于将参数和/或数据输入计算单元，其运行应用软件并因此可供应用软件所用。该操作例如借助作为控制器的鼠标完成，借此来操作或选择图形元件，在智能手机、平板电脑和科传导购信息管理系统中一般通过触摸传感器平面。参数的输入可以通过相应的操作区或键盘进行。数据可通过相应的数据载体如CD或DVD或USB盘可供使用。输入掩码也可以通过网络接口来实现。在此，待输入的参数和/或数据可以通过网络连接器被输入。位置调节器可以具有输入掩码以用于例如设定或输入阀图例、(工作)参数或其它特性参数。输入掩码也可以被用于开始或调用校准周期或校准步骤，以接收、记录或确定阀图例、(工作)参数或另一特性参数。

弹簧组

一个弹簧组包括多个弹簧，它们如此布置和相互连接，即，弹簧可以压缩在一起。弹簧在此可以相互平行布置，从而弹簧组的弹簧常数来自一些弹簧的弹簧常数之和。弹簧组可以由相同的或不同的弹簧构成，其中这些弹簧在其弹簧常数、被用在弹簧制造时的材料、其构型或在螺旋弹簧的情况下的线圈数量方面不同。利用弹簧组，例如可以预紧用于调节阀的驱动装置。

弹簧

弹簧是工程部件，其可以在实际使用中充分弹性变形。弹簧通常被设计成螺旋弹簧。螺旋弹簧是卷绕或盘绕成螺旋线形式的金属丝。它们在螺旋轴线方向上拉伸分开(拉伸弹簧)或压紧在一起(压缩弹簧)。弹簧的其它实施方式涉及空气弹簧或弹性(胶)垫。

平衡

平衡是物体(例如阀芯)的状态，此时物体未经历加速。它因此保持静止或以恒定速度运动。当作用于它的全部力处于平衡、即力的矢量和等于零时，物体处于力学平衡中。

行程

阀芯的行程表示阀芯在从第一位置移动到第二位置时所走过的距离。

实际压力

实际压力是在一定时刻的例如在闭合腔室内或在一定(呈面状伸展的)部位处的压力。实际压力是介质在一定时刻施加至闭合腔室的壁或该一定部位的面积上的力的尺度。在许多情况下，实际压力与在当前时刻作用于腔室壁或部位表面的瞬间存在的压力或相应力一样。但一定时刻也可以涉及过去或未来的时刻。

实际位置

实际位置是在一定时刻的物体的空间位置和/或姿态。在许多情况下，物体的实际位置与其瞬间位置或姿态一样，即与物体在当前时刻所处的位置或姿态一样。但一定时刻也可能涉及过去或未来的时刻。实际位置通常是用于物体有目的地运动到理论位置的起始点。

非平衡

非平衡是物体(例如阀芯)的状态，此时物体经历加速。它因此未保持静止并且未以恒定速度运动。当作用于它的所有力处于非平衡、即力的矢量和不等于零时，物体处于力学非平衡中。

过程

(技术)过程是(技术)设备的整个过程。连续过程是如下过程，其正好在设备上或在设备正常工作中运行。过程可以是连续地的或持续不断的(石油精炼、远程供暖或电流产生)或非连续的或批次过程或循环过程(用于烙制食品生产、药品生产、咖啡烘焙的膏糊生产)。

过程介质

过程介质是流体介质，其在过程范围内在设备中循环或输送且同时或许被改变。过程介质可以是油、盐、液体或气体或其混合物。

位置调节器

位置调节器是阀的如下部件，其操作或控制阀的阀芯以启闭阀。位置调节器在许多情况下包括电驱动装置或流体驱动装置或与之连接。

理论位置

理论位置是物体的预定或所力求的空间位置或姿态，物体实际位置与之的偏差应尽量小。理论位置或理论姿态在许多情况下是物体定向运动的目标或者通过物体定向运动所力求的最终结果。理想情况下，至少作为物体有目的定向运动的结果，物体实际位置与所力求的理论位置一致，或者与之的偏差仅在可利用有目的定向运动获得的定位安全性或预定位置容许误差内。

调节阀

也称为过程阀或控制阀的调节阀用于节流或调整流体流。为此，借助驱动装置使闭合部件例如孔锥或阀锥相对于阀座运动。在此，流通口被放开或关闭，由此流通量可被影响，直到流通口全闭。一般，为此采用气压驱动装置或电驱动装置。

阀芯

阀芯是阀的如下部件，其能放开或关闭阀座并且例如被位置调节器作动以启闭阀。它一般由阀杆和阀锥组成，阀锥安装在阀杆末端上。

阀图例

阀图例是在行程-压力曲线图中的行程-压力曲线族。行程-压力曲线是借此能给(如阀芯的)行程分配(如调节阀的气压驱动装置的功能)压力。阀图例大多借助供压曲线和泄压曲线限定。阀图例的行程-压力曲线位于由供压和泄压曲线限定的带内。它们由摩擦决定地不重合并且形成滞后。阀图例的定义可以通过中间值曲线的数据被补充。

时刻

时刻是在时间参考系中精确确定的瞬间。它能按时间刻度来指明且不同于时间段地不具有伸延展范围。

附图标记

100 调节阀

105 阀壳体

110 入口

115 出口

120 阀座

125 阀芯

130 阀锥

135 驱动杆

140 驱动装置

145 腔室

150 压力传感器

155 位置调节器

160 位置传感器

165 磁铁

170 弹簧组

175 弹簧

180 密封填料

185 开口

200 调节阀

205 阀壳体

210 入口

215 出口

220 阀座

225 阀芯

230 阀锥

235 驱动杆

255 位置调节器

280 密封填料

290 压力传感器

295 压力传感器

300行程-压力曲线图

310 阀图例

315 供压曲线

320 泄压曲线

325 中间值曲线

330 断裂图例

335 中间值曲线

340 上边界曲线

345 下边界曲线

350 运动轨迹

355 运动轨迹

400行程-压力曲线图300的局部

410 最大偏差

420 压差

430 所扫过的面积

500行程-压力曲线图300的局部

510 测量点

520 窗

600 方法

610 输入

620 测量

630 检查

640 发出报告

所引用的文献

所引用的专利文献

US4,976,144A

WO2004/074947A1

DE29612346U1

WO2009/111101A1

DE102015225999A1。

所引用的非专利文献

拉尔夫·赫布里希：调节阀(奥登堡工业出版社，2004,ISBN-13:978-3486630558,第3.5章《阀门故障诊断》)

Claims (13)

1.一种用于识别调节阀(100；200)内的弹簧(175)的断裂的方法(600)，

1.1其中，所述调节阀(100；200)被指定成为设备的一部分，在所述设备上利用过程介质运行过程；

1.2其中，所述调节阀(100；200)具有以下组成部分：

1.2.1阀芯(125；225)，用于影响所述过程介质和/或在所述设备上运行的所述过程；

1.2.2气压驱动装置(140)，所述气压驱动装置(140)被设立用于定位所述阀芯(125；225)以影响所述过程介质和/或所述过程；

1.2.2.1其中，所述气压驱动装置(140)具有所述弹簧(175)；

1.2.2.2其中，所述弹簧(175)预紧所述驱动装置(140)；

1.2.3用于测量所述阀芯(125；225)的实际位置的位置传感器(160)；以及

1.2.4用于测量所述气压驱动装置(140)内的实际压力的压力传感器(150)；

其中，所述方法包括以下步骤：

1.3确定或设定(610)阀图例(310)；

1.3.1其中，所述阀图例(310)允许给每个所述阀芯(125；225)的实际位置配属能在带有无损弹簧(175)的所述调节阀(100；200)的工作中达到的压力的区域；

1.4在一个时刻借助所述位置传感器(160)测量(620)所述阀芯(125；225)的所述实际位置；

1.5在一个时刻借助所述压力传感器(150)测量(620)所述气压驱动装置(140)内的所述实际压力；

1.6查明(630)所述弹簧(175)是否断裂，其中，所述弹簧(175)的断裂被如此查明，即

1.6.1被测量的所述实际压力小于能借助所述阀图例(310)配属于所述阀芯(125；225)的被测量的所述实际位置的每个所述压力；和/或

1.6.2被测量的所述实际位置大于能借助所述阀图例(310)被配属于所述阀芯(125；225)的被测量的所述实际压力的每个所述位置；

1.7一旦查明了所述弹簧(175)的断裂，就输出(640)通知。

2.根据权利要求1所述的方法(600)，其特征是，所述阀图例(310)借助输入掩码来确定或设定。

3.根据权利要求1或2所述的方法(600)，其特征是，所述阀图例(310)按照有序间隔期被更新。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(600)，其特征是，

4.1从所述阀图例(310)中推导出断裂图例(330)；

4.1.1其中，所述断裂图例(330)允许给所述阀芯(125；225)的每个实际位置配属能在所述弹簧(175)断裂时达到的压力的区域；

4.2其中，所述弹簧(175)的断裂被如此查明，即，被测量的所述实际压力对应于能借助所述断裂图例(330)被配属于所述阀芯(125；225)的被测量的所述实际位置的所述压力之一。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(600)，其特征是，

5.1在各不同时刻测量和绘制所述阀芯(125；225)的实际位置，并且

5.2在各不同时刻测量和绘制所述气压驱动装置(140)中的所述实际压力；

5.3其中，所述弹簧(175)的断裂被如此查明，即，所绘制的所述实际位置和所述实际压力被分析是否出现所述阀芯(125；225)的克服所述弹簧力的自发运动；

5.3.1其中，所述自发运动表征紧接在所述弹簧(175)的断裂之后的所述阀芯(125；225)的运动。

6.根据权利要求5所述的方法(600)，其特征是，借助以下手段来识别所述阀芯(125；225)的克服所述弹簧力的所述自发运动的出现：

6.1借助在所述自发运动时经过的时间，和/或

6.2借助在所述自发运动时所走过的距离，和/或

6.3借助在所述自发运动时出现的与理论位置的最大偏差，

6.3.1其中，所述驱动装置(140)被调整，以致所述阀芯(125；225)的所述实际位置与所述理论位置一致，和/或

6.4借助在所述自发运动时出现的速度和/或加速度，和/或

6.5借助在所述自发运动时所扫过的在行程-压力曲线图中的面积，和/或

6.6借助位置值和压力值的预定区域，其中，所述预定区域包含在所述弹簧(175)断裂时的所述阀芯(125；225)的运动变化过程，

6.6.1其中，所述运动变化过程通过测量和/或计算来获得。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(600)，其特征是，在查明(630)所述弹簧(175)断裂时考虑所述调节阀(100；200)的实际工作状况和/或主导参量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(600)，其特征是，所述调节阀(100；200)具有用于测量所述过程介质压力的一个传感器(290,295)或多个传感器(290,295)。

9.一种用于具有预紧的驱动装置(140)的调节阀的位置调节器，

9.1其中，所述调节阀(100；200)被指定成为设备的一部分，在所述设备上使用过程介质运行过程；

9.2其中，所述调节阀(100；200)具有以下组成部分：

9.2.1阀芯(125；225)，用于影响所述过程介质和/或在所述设备上运行的所述过程；

9.2.2气压驱动装置(140)，所述气压驱动装置(140)被设立用于定位所述阀芯(125；225)以影响所述过程介质和/或所述过程；

9.2.2.1其中，所述气压驱动装置(140)具有弹簧(175)；

9.2.2.2其中，所述弹簧(175)预紧所述驱动装置(140)；

9.2.3用于测量所述阀芯(125；225)的实际位置的位置传感器(160)；以及

9.2.4用于测量所述气压驱动装置(140)内的实际压力的压力传感器(150)；

9.3其中，所述位置调节器具有适于执行根据前述方法权利要求中任一项所述的方法(600)的步骤的机构。

10.一种调节阀，所述调节阀具有预紧的驱动装置(140)，其中，所述调节阀具有根据权利要求9所述的位置调节器。

11.一种过程技术设备，所述过程技术设备具有根据权利要求10所述的调节阀。

12.一种计算机程序，所述计算机程序包括致使根据权利要求9所述的位置调节器执行根据前述方法权利要求中的任一项所述的方法步骤的指令。

13.一种数据载体，在所述数据载体上存储有根据权利要求12所述的计算机程序。

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