-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen des Einnehmens einer vorbestimmten Betriebsstellung, wie einer Betriebsnotstellung, durch ein bewegliches Stellglied, wie ein Ventilglied. Außerdem betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem Stellantrieb, wie einem pneumatischen Aktuator, dessen Antriebsenergie das bewegliche Stellglied in die Betriebsstellung, wie die Betriebsnotstellung, verbringt.
-
Üblicherweise ist ein mit pneumatischer Druckluft zu betreibender Aktuator mit einem in einem Leitungssystem einer verfahrenstechnischen Anlage untergebrachten Stellglied eines Stellventils stellkraftübertragend gekoppelt, um eine Ventilöffnung zumindest teilweise freizugeben oder zu schließen. Auf diese Weise kann die Strömung von fluidähnlichen Stoffen der verfahrenstechnischen Anlage geregelt werden, und Prozeßgrößen, wie Temperatur, Durchfluß, Füllstand, Druck, Differenzdruck, können wunschgemäß beeinflußt werden. Üblicherweise ist dem Aktuator ein elektronischer Stellungsregler zugeordnet, der beispielsweise anhand eines Soll-Stellwert/Ist-Stellwert-Vergleichs eine optimale Position des Ventilglieds ermittelt und den Aktuator über ein elektrisch betriebenes Magnetventil entsprechend ansteuert. Insbesondere in der Verfahrenstechnik mit explosionsträchtigen Medien ist es aus sicherheitstechnischen Gründen wünschenswert, ein Aktuator bereitzustellen, mit dem zum Verstellen des Ventilglieds sowenig elektrische Hilfsenergie wie nötig, vorzugsweise keine ständige elektrische Hilfsenergieversorgung, erforderlich ist, damit die Gefahr von beispielsweise durch schlagartige elektrische Entladung verursachte Explosionen so weit wie möglich reduziert werden kann.
-
Auf dem Gebiet der Heiztechnik, insbesondere der Heizkörpertechnik für Wohn- und/oder Bürogebäude, sind Aktuatoren bekannt, für deren Betrieb externe elektrische Hilfsenergie kaum notwendig ist und die ein Durchlaufventil für Warmwasser anhand von Steuerkräften stellen, die sich aufgrund des Ausdehnens einer Stellflüssigkeit ergeben, was über hydraulische Drucksensoren erfaßbar ist. Derartige Flüssigkeitsausdehnungsaktuatoren bilden ein von einer äußeren Energieversorgung weitgehend unabhängiges, geschlossenes Regelungssystem. Allerdings stellt dieser Aktuatortyp keine Information über den tatsächlichen Betriebszustand des Ventilglieds des Durchlaufventils bereit, der nur durch Augenschein oder durch eine zusätzliche elektrisch betriebene Sensoranordnung überwachbar ist.
-
Für eine optimale Stellungsregelung ist es notwendig, die exakte Position des Ventilglieds zu erfassen und an eine Auswerteeinheit zu übermitteln. Aus der
DE 101 28 447 A1 ist bekannt, einen Positionssensor an einem Ventilglied eines Stellglieds anzubringen und mit einer drahtlosen Sendeeinrichtung auszustatten. Ein distaler Empfänger leitet das Positionssignal an eine Auswerteeinheit. Der Sender wird entweder über eine Kabelleitung, die sich von außen in die Armatur erstreckt, an eine interne elektrische Energiequelle oder an eine dezentrale Energieversorgung angeschlossen, die mit Solarelementen oder mit Mitteln zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie ausgestattet ist. Bei beiden Ausführungen kann eine Übertragung von Positionsmeldungen an die Auswerteeinheit nicht stattfinden, wenn die Kabelleitungen durch äußere Einflüsse unterbrochen sind. Auch hinsichtlich der dezentralen Energieversorgung stellte sich heraus, daß häufig nicht genug Sonnenlicht zum Betreiben des Positionssensors bei den verfahrenstechnischen Anlagen zur Verfügung steht, so daß für die dezentrale Energieversorgung gemäß der
DE 101 28 447 A1 ein Energieakkumulator vorzusehen ist, der erzeugte elektrische Energie speichert. Gerade bei dem Einsatz von Akkumulatoren ergibt sich ein hohes Ausfallrisiko insofern, als häufig ein schleichender Energieabfall bei Akkumulatoren zu verzeichnen ist, was wiederum frequente Energiestandskontrollen fordert, welche die Leistungsfähigkeit des Akkumulators beeinträchtigen können. Des weiteren besteht auch bei Akkumulatoren die Gefahr eines explosionsimitierenden Energieabgabefunkens.
-
Bei einem pneumatischen Antrieb mit zwei durch eine Membran getrennten Arbeitskammern ist bekannt, eine Rückstellfeder in der Arbeitskammer unter Vorspannung einzubauen, die das Stellglied bei Druckverlust in eine Sicherheitsstellung verbringen kann. Mit einer von einer externen Energieversorgung betriebenen Positionserfassung kann aus einem remoten Überwachungssitz sichergestellt werden, daß das Stellglied auch tatsächlich in die gewünschte Sicherheitsstellung gebracht wurde. Bei einem totalen Energieausfall ist es nur möglich, sich über das Vorliegen der gewünschten Sicherheitsstellung zu vergewissern, wenn die tatsächliche Stellung des Stellglieds vor Ort durch Augenschein geprüft wird.
-
DE 101 28 447 A1 offenbart einen elektro-pneumatischen Stellantrieb mit einem Positionssensor, der mit einer distalen elektrischen Einheit verbunden ist. Aus
WO 03/04 64 33 A1 ist eine autarke Pipeline-Armatur mit einem Stellglied und einer Sensorik bekannt, die über Solarenergie elektrisch gespeist ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere einen von externer insbesondere elektrischer Hilfsenergie und von Akkumulatoren zum Speichern und Betreiben von elektrischen Einrichtungen freien, energieautarken Stellantrieb zu schaffen, bei dem eine Stellgliedpositionsmeldung auch dann sichergestellt ist, wenn sämtliche Energie-Versorgungsleitungen von außen zum Stellantrieb unterbrochen sind.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst.
-
Danach ist eine Vorrichtung zum Überwachen des Einnehmens einer vorbestimmten Betriebsstellung vorgesehen, wie eine Betriebsnotstellung, durch ein bewegliches Stellglied, wie ein Ventilglied, das von einem Stellantrieb, wie einem pneumatischen Aktuator, längs eines Stellwegs antreibbar ist. Die Überwachungsvorrichtung umfaßt wenigstens einen Sender zum Senden wenigstens eines vordefinierten, insbesondere vorab festgelegten, unveränderlichen, Stellgliedpositions-Signals an eine Auswerteinheit und eine Energieversorgung für den Sender, der erst bei Erreichen einer dem vordefinierten Stellgliedpositions-Signal zugeordneten Betriebsstellung Energie, insbesondere elektrische Energie, zum Betreiben des Senders erzeugt und an den Sender zum Senden des Stellgliedpositionssignals abgibt. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es zum einen nunmehr möglich, einen pneumatischen Stellantrieb bereitzustellen, der autark von externer elektrischer Energie betreibbar ist und dessen Funktionszuverlässigkeit zusätzlich optimiert ist. Zum anderen kann mit der Erfindung die zuverlässige Positionsbestimmung des Stellglieds nicht nur an einer einzigen Stellung, wie der Betriebsnotstellung, sondern längs des gesamten Stellweges des Stellglieds durchgeführt werden, je nachdem wie viele Einzelpositions-Sendungen längs des Stellweges realisierbar sind. Die Erfindung nimmt also einen gegenüber der üblichen kontinuierlichen Positionsbestimmung durch als Potentiometer ausgeführte Positionssensoren entgegengesetzten Lösungsweg, bei dem jeder interessanten Betriebsstellung des Stellglieds eine Energieerzeugung zum Versenden eines individuellen vordefinierten Positionssignals bereitgestellt wird.
-
Da unmittelbar beim Versenden des Positionssignals die Versendeenergie zu erzeugen ist, bedarf es keiner die Funktionsfähigkeit und -sicherheit des Stellantriebs einschränkenden Akkumulatoren.
-
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Energieversorgung einen Wandler von mechanischer, pneumatischer oder hydraulischer Energie in elektrische Energie auf. Der Wandler kann einen Speicher potentieller Energie, insbesondere Federenergie, umfassen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Energiespeicher durch eine vorgespannte Feder gebildet, die insbesondere durch die Bewegung des Stellglieds spannbar ist.
-
Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt der Wandler einen Stromerzeuger, der aus Energie des Speichers elektrische Versorgungsenergie für den Sender erzeugt.
-
Vorzugsweise umfaßt die Energieversorgung einen Mechanismus zum Aktivieren des Wandlers, insbesondere zum Freigeben von Energie des Speichers. Bei einer besonderen Ausführung der Erfindung ist der Aktivierungsmechanismus durch die Stellantriebsenergie selbst betreibbar. Insbesondere ist der Aktivierungsmechanismus derart ausgeführt, daß eine vorgespannte Feder bei Erreichen der vordefinierten Betriebsstellung gelöst wird.
-
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Aktivierungsmechanismus mit einem an dem Stellglied oder an einem Stellbauteil des Stellantriebs angebrachten Mitnehmer versehen, der auf den Wandler bei Erreichen der vordefinierten Betriebsstellung einwirkt. Außerdem kann die Aktivierungsenergie über Druckänderung eines Regelungsfluids realisiert sein.
-
Bei einer beispielhaften Ausführung der Erfindung kann die Energieversorgung einen Kondensator aufweisen, der auf eine Bewegung des Stellglieds hin elektrisch ladbar ist und eine Ladung als Energieversorgung dann an den Sender abgibt, wenn das Stellglied die vordefinierte Betriebsstellung einnimmt.
-
Des weiteren kann die Energieversorgung ein Piezokristall umfassen, das auf eine Bewegung des Stellglieds oder eines Stellantriebsbauteils oder auf eine Druckänderung eines Stellantriebsfluids hin elektrischen Strom zum Abgeben an den Sender erzeugt und dann an den Sender abgibt, wenn das Stellglied die vorbestimmte Betriebsstellung einnimmt.
-
Bei der Erfindung ist die Energieversorgung mit einem Piezozünder und einem Schlagmechanismus versehen, der bei Durchfahren des Stellglieds an der vorbestimmten Betriebsstellung dem Piezokristall eine Stoßkraft mitteilt, wodurch das Piezokristall einen elektrischen Stromimpuls zum Weiterleiten an den Sender erzeugt.
-
Der Piezozünder kann derart ausgelegt sein, daß er nur dann einen elektrischen Strom abgibt, wenn eine auf den Piezozünder wirkende Belastung stoßartig ist, wobei insbesondere die Stoßlastkraft größer als eine vorbestimmte Schwelle ist, wobei insbesondere der Schlagmechanismus bei dessen Aktivierung dazu ausgelegt ist, die vorbestimmte Laststoßkraftschwelle zu übersteigen.
-
Außerdem kann die Energieversorgung eine Magnetspulen-Anordnung aufweisen, die auf eine Bewegung des Stellglieds oder eines Stellantriebsbauteils hin einen Induktionsstrom zum Speisen des Senders erzeugt und dann an den Sender abgibt, wenn das Stellglied die vordefinierte Betriebsstellung einnimmt.
-
Für eine ausgewogene Spannungsversorgung des Senders kann der Energieversorgung eine elektrische Schaltung nachgeordnet sein. Es sei klar, daß bevorzugte Sender ausschließlich über die obengenannten Energieversorgungen betrieben sein sollen. Des weiteren stellt die Energieversorgung eine Leistung bereit, die zum vollständigen Senden des Stellgliedpositions-Signals, insbesondere eines codierten Funkssignals, ausreicht.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Sender zum Senden jeweils unterschiedlicher Stellgliedpositionssignale längs des Stellweges des Stellgliedes angeordnet, wobei beim Durchfahren der jeweiligen, den einzelnen Sendern zugeordneten Betriebsstellungen eine quasi-kontinuierliche Betriebsstellungsmessung längs des Stellweges bereitgestellt wird.
-
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sender mit einem Funknetz verbindbar.
-
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem Stellantrieb, wie einem pneumatischen Aktuator, dessen Antriebsenergie ein bewegliches Stellglied, wie ein Ventilglied, in eine Betriebsstellung, wie eine Betriebsnotstellung, verbringt und/oder in einer Betriebsstellung, wie einer Betriebsnotstellung, hält, und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen des Einnehmens der vorbestimmten Betriebsstellung.
-
Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung deutlich, in denen zeigen:
-
1 eine Prinzipskizze eines Stellantriebs mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen einer vorbestimmten Betriebsstellung;
-
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen einer vorbestimmten Betriebsstellung des Stellglieds;
-
3 eine elektrische Energieversorgung für einen Sender der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen der vorbestimmten Betriebsstellung; und
-
4 ein Regelventil, das über eine Stellflüssigkeitsausdelmung gestellt wird und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Betriebsstellung des Stellglieds aufweist.
-
Ein pneumatischer Stellantrieb 1 ist mit einer nicht dargestellten Arbeitskammer ausgestattet, die an eine Luftdruckquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Das Zuführen von Druckluft ist über ein nicht dargestelltes Magnetventil gesteuert.
-
Der Stellantrieb 1 umfaßt eine Antriebsspindel 3, welche bei einem Hubantrieb als Antriebsstange oder bei einem Drehantrieb als Antriebswelle ausgeführt ist. Die Antriebsspindel 3 ist mit einem Stellventil 4 verbunden, um das nicht näher dargestellte Stellglied des Stellventils 4 zwischen einer geschlossenen, einer offenen Stellung und/oder einer beliebigen Zwischenstellung zu verbringen. Der in 1 dargestellte Stellantrieb 1 ist als Hubantrieb ausgeführt, der dem Stellventil Kräfte längs eines Stellweges X mitteilt.
-
Bei einem Druckluftversorgungsausfall verbringt eine nicht dargestellte vorgespannte Druckfeder, die in dem Gehäuse des Stellantriebs 1 untergebracht ist, das Stellglied bei Abgabe ihrer Vorspannung über eine Verlagerung der Antriebsspindel 3 in eine Notendstellung (nicht näher dargestellt).
-
Neben der Antriebsspindel 3 ist ein Sender 5 vorgesehen, der zwei unterschiedliche Stellgliedpositions-Signale P, Q, die unterschiedlichen Betriebstellungen zugeordnet sind, an eine nicht dargestellte Prozeßleitzentrale oder einen nicht dargestellten proximalen Sender-Empfänger eines Funknetzes (nicht dargestellt) funkt.
-
Jeweils eine Energieerzeugungseinrichtung 7a, 7b ist zum energetischen Speisen des Senders 5 stellantriebsseitig und stellventilseitig in der der Nähe des Senders 5 angeordnet. Die Energieerzeugungseinrichtungen 7a, 7b wird bei Vorbeilauf eines vorbestimmten Abschnitts A bzw. B der Antriebsspindel 3 beispielsweise durch einen Mitnehmer (nicht dargestellt) aktiviert und erzeugt einen elektrischen Energieimpuls S für das Senden des Stellgliedpositions-Signals P bzw. den elektrischen Energieimpuls T für das Senden des Stellgliedpositions-Signals Q, welche Energieimpulse T, S getrennt und unterscheidungsfähig dem Sender 5 zugeführt werden.
-
In 1 ist eine Betriebssituation dargestellt, bei der die Kraftantriebseinheit 1 die Antriebsspindel 3 in eine Betriebsstellung verfährt, in der das nicht dargestellte Stellglied des Stellventils 4 teilweise geschlossen ist und der Abschnitt A der Antriebsspindel 3 in eine Position gelangt, in der die Erzeugungseinrichtung 7a aktiviert wird. In dieser Betriebsstellung ist der Abschnitt B der Antriebsspindel 3 noch distal zur Energieerzeugungseinrichtung 7b, der folglich keinen elektrischen Energieimplus T zeugen kann, weswegen der den elektrischen Energieimpuls T repräsentierende Pfeil gestrichelt dargestellt ist.
-
Durch die Versorgung des Senders 5 mit dem elektrischen Impuls S wird ein in den Sender vorgespeichertes Positionssignal P gesendet. Nur beim Eingang des elektrischen Impulses S der Energieerzeugungseinrichtung 7a wird das Aussenden des Positionssignals P veranlaßt.
-
Sollte allerdings die Antriebsspindel 3 über die in 1 dargestellte Betriebstellung hinaus weiter nach unten verschoben werden, um das nicht dargestellte Stellglied des Stellventils 4 zu verschließen, also um eine Notbetriebsstellung einzunehmen, gelangt der Abschnitt B der Antriebsspindel 3 in einer der Energieerzeugungseinrichtung 7b gegenüberliegenden Position, in der sie aktiviert wird und einen Energieimpuls T erzeugt, der ein Aussenden des Positionssignals Q veranlaßt, das über die geschlossene Betriebsstellung des Stellglieds des Stellventils 4 informiert.
-
Mit der Anordnung mehrere Energieerzeugungseinrichtungen 7 längs des Stellweges der Antriebsspindel 3 kann eine quasi kontinuierliche Überwachung der Betriebsstellung der Antriebsspindel 3 längs des gesamten Stellweges vorgenommen werden.
-
Die nicht dargestellte Auswerteinheit, die mit den Positionssignalen P, Q versorgt wird, kann mit einer Regelungseinrichtung versehen sein, welche anhand des Positionssignals P eine Justierung oder Kalibrierung eines Wegsensors zur kontinuierlichen Ermittlung der Betreibstellung vornehmen kann.
-
Fällt die gesamte externe Energieversorgung des Stellantriebs, wie die Luftdruckquelle und die elektrische Energie für die Stellung des Stellventils 4, aus, so treibt die Feder das Stellglied selbsttätig in eine geschlossene Notstellung. Die damit einhergehende Bewegung des Stellglieds stellt die Basis der erfindungsgemäßen Energieversorgung für das Erfassen der Stellgliednotstellung und das Senden des Stellgliednotstellungssignals dar. Kommt der Abschnitt B der Antriebsspindel 3 in eine der Energieerzeugungseinrichtung 7b gegenüberliegende Position, so stellt die Bewegung der Antriebsspindel 3 die Aktivierungsenergie für die Energieerzeugungseinrichtung 7b bereit, aufgrund der der Energieimpuls T erzeugt und an den Sender 5 weitergeleitet werden kann. Bleibt das Stellgliednotstellungssignal Q aus, so kann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, daß das Stellglied die Stellgliednotstellung nicht eingenommen hat.
-
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen des Einnehmens der Betriebsstellung durch das Stellglied bzw. zum Überwachen des Einnehmens der Positionen der Abschnitten A, B der Antriebsspindel 3 (siehe 1). Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung umfaßt einen Schlagmechanismus 11, der als durch eine Feder 11a vorgespannter Bolzen 11b ausgeführt sein kann und eine Stoßkraft F mitteilen kann. Die Stoßkraft F wird auf einen Piezozünder 13 gerichtet, der im Detail in 3 dargestellt ist.
-
Beim Passieren jeweils des Abschnitts A, B der Antriebsspindel 3 an dem Schlagmechanismus wird die potentielle Energie der Feder 11a abgeben und die Stoßkraft F abgegeben. Aufgrund der Stoßkraft F wird in dem Piezozünder 13 eine Potentialdifferenz erzeugt, welche einen elektrischen Stromimpuls hervorruft. Die erzeugte elektrische Energie wird erfindungsgemäß in erster Linie dem Sender 5 zugeführt wird, der ein entsprechendes Positionssignal S oder Q abgibt.
-
Es stellte sich heraus, daß der elektrische Stromimpuls T oder S zusätzlich ausreicht, einen Positionssensor 15 zu betreiben, der sowohl mit dem Sender 5 als auch mit einer Regelungseinrichtung 17 verbunden ist.
-
In der in 3 dargestellten Prinzipskizze ist ein Piezozünder dargestellt, der aus einem Piezokristallkern 21 gebildet ist, der an seinen Breitseiten mit Metallplatten 23, 25 eingefaßt ist, wobei die Längsseiten von einem Kunststoffmantel 27 isoliert geschützt sind. Durch den Kunststoffmantel hindurch erstreckt sich ein elektrischer Anschluß 29 nach außen. Die erzeugte Spannung in dem Piezokristallkern 21 kann über den Anschluß 29 und dem zweiten Anschluß 31 an der Metallplatte 25 abgegriffen werden.
-
Bei einer einen bestimmten Schwellenwert übersteigenden Stoßkraft, die von dem Schlagmechanismus 11 (2) ausgeübt wird, entsteht aufgrund des piezoelektrischen Prinzips eine Potentialdifferenz, die an den Anschlußpunkten 29, 33 als Spannung U abgreifbar ist. Diese Spannung U induziert den gewünschten Stromimpuls T, S, der beispielsweise durch Zwischenschaltung einer elektrischen Schaltung (nicht dargestellt) derart geregelt ist, daß eine konstante Stromversorgung für den Sender 5 und gegebenenfalls für den Sensor 15 bereitgestellt ist.
-
In 4 ist ein erfindungsgemäßer Einsatz einer Vorrichtung zum Überwachen des Einnehmens der Betriebsstellung eines Stellglieds dargestellt, das in den in 4 dargestellten Beispielen ein Ventilglied 41 eines Heizkörperregelventils 43 ist.
-
Das Heizkörperregelventil 43 umfaßt einen Sollwertsteller 45 und eine Sensiereinrichtung 47 mit einem Flüssigkeitsausdehnungssensors. Je nach Ausdehnung der in der Sensiereinrichtung 47 befindlichen Flüssigkeit, die von der Umgebungstemperatur des Heizkörpers 49 abhängt, wird das Stellglied 41 im Hinblick auf den Sollwert des Sollwertstellers 45 gestellt, wodurch die Zufuhr von kaltem oder warmem Wasser in dem Heizkörper 49 eingestellt wird.
-
Wird eine bestimmte Betriebsstellung, vorzugsweise eine Endstellung des Stellglieds 41, erreicht, die von der Flüssigkeit in der Sensiereinrichtung 47 bewirkt wird, kann ein Schlagmechanismus 11 aktiviert werden, der eine Stoßkraft einem Piezozünder 13 mitteilt. Auf der Basis des durch den Piezozünder 13 erzeugten elektrischen Impulses sendet ein Sender 5 ein Signal P ab, das der Endstellung des Stellglieds 41 entspricht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stellantrieb
- 3
- Antriebsspindel
- 4
- Stellventil
- 5
- Sender
- 7a, 7b
- Energieerzeugungseinrichtung
- 11
- Schlagmechanismus
- 11a
- Feder
- 11b
- Bolzen
- 13
- Piezozünder
- 15
- Positionssensor
- 17
- Regelungseinrichtung
- 21
- Piezokristallkern
- 23, 25
- Metallplatte
- 27
- Kunststoffmantel
- 29, 31
- Anschluß
- 41
- Ventilglied, Stellglied
- 43
- Heizkörperregelventil
- 45
- Sollwertstelle
- 47
- Sensiereinrichtung
- 49
- Heizkörper
- A, B
- Abschnitt
- P, Q
- Positionssignal
- S, T
- elektrischer Impuls
- U
- Spannung
- X
- Stellweg
