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Die
Erfindung betrifft einen Positionsgeber zum Ermitteln von wenigstens
einer Position einer pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betriebenen
Stellarmatur, wie eines pneumatisch betriebenen Schnellschlußsicherheitsventils,
einer Prozeßanlage insbesondere
auf dem Gebiet der Chemie, Petrochemie, Reaktortechnik und dergleichen.
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Ein
Grenzlagengeber ist ein besonderer Positionsgeber, der wenigstens
eine Endposition der Stellarmatur ermittelt. Der Positionsgeber
ist im allgemeinen dazu ausgelegt, das ermittelte Positionssignal
anzuzeigen und/oder zu dessen Weiterverarbeitung an einen Empfänger, wie
ein Datenverarbeitungsgerät,
einen Regler, etc. zu übertragen.
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Stellarmaturen
sollen Fluidströme
innerhalb von Leitungen der Prozeßanlage regeln. Eine einfach aufgebaute
Stellarmatur, wie ein Schnellschlußsicherheitsventil, soll lediglich
die Leitung entweder vollständig
sperren oder freigeben. Die Funktion des vollständigen Öffnens oder Schließens ist
insbesondere beim Abschalten der Prozeßanlage in einem Störfall wichtig.
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Damit
sich das Bedienpersonal einer Prozeßanlage von dem Erreichen der
Sicherheitsstellung der Stellarmatur überzeugen kann, werden Positionsgeber,
wie der Grenzlagengeber, verwendet. Der Grenzlagengeber erzeugt
ein binäres
Signal, das heißt
der Betriebszustand der zu überwachenden Stellarmatur
wird entweder als geschlossen oder nicht-geschlossen angezeigt.
Häufig
wird einer Stellarmatur ein Grenzlagengeberpaar zugeordnet, so daß die Betriebszustände geschlossen,
nicht-geschlossen, offen, nicht-offen erfaßt und angezeigt werden können.
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Ein äußerst zuverlässig arbeitender
Positionsgeber der analogen Bauart ist der sogenannte induktive
Näherungsschalter,
der mit einer Spannung von 8 Volt versorgt wird und dessen Innenwiderstand je
nach Lage der Stellarmatur einen Stromfluß kleiner 1 mA oder größer 2,1
mA zuläßt. Der
Nachteil der induktiven Näherungsschalter
besteht darin, daß dessen
notwendige Justierung einen hohen mechanischen Aufwand fordert und
der Näherungsschalter an
sich sehr temperaturfühlig
ist.
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Es
ist auch bekannt, den beispielsweise in einem Stellungsregler integrierten
Positionsgeber mit einem Mikrorechner zu verbinden, der die von
einem analogen Sensor erzeugten Positionssignale verarbeitet und
entsprechend den Antrieb der Stellarmatur ansteuert. Üblicherweise
werden diese Stellungsregler via einem Zweileitereingang mit 4 bis
20 mA energetisch versorgt. Ein derartiger Stellungsregler mit Mikrorechner
ist beispielsweise aus
US
6,971,626 B2 bekannt, wobei zusätzlich ein Grenzlagengeber
in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht sind. Der Stellungsregler und der Grenzlagengeber
können miteinander
kommunizieren. Bei Ausfall des Stellungsreglers wird die Stellung
der Stellarmatur weiterhin durch den Grenzlagengeber ermittelt und
signalisiert. Nachteilig ist bei der bekannten Anordnung aus Stellungsregler
und Grenzlagengeber, daß für jedes
Gerät ein
eigner Mikrorechner, Wegsensor, Speicher und eine eigene Energieversorgungseinheit
erforderlich sind. Auch der Montage- und Justageaufwand ist durch
die redundante Anordnung aus Stellungsregler und Grenzlagengeber
verdoppelt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik
zu überwinden,
insbesondere einen Positionsgeber bereitzustellen, mit dem selbst
bei widrigen Umgebungsbedingungen ein zuverlässiges Positionssignal bereitgestellt
wird, ohne den strukturellen Aufwand sowie den Montage- und Justageaufwand
für die
Positionsgeber wesentlich erhöhen
zu müssen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach
sind an den Positionsgeber zwei Energiequellen angeschlossen, die
voneinander unabhängig
elektrische Energie sowohl einer Elektronikkomponente, wie dem Mikrorechner,
als auch dem Sensor zuführen.
Der Positionsgeber kann wenigstens einen Energieversorgungseingang
aufweisen, wobei zwei separate Energieversorgungseingänge jeweils
für eine
Energiequelle bevorzugt sind. Die zum Betrieb von dem Mikrorechner,
dem Sensor und insbesondere weiterer Elektronikkomponenten des Positionsgebers
notwendige Energie kann entweder aus nur einer der Energiequellen
abgezogen werden, wobei die andere Energiequelle für ihre entsprechende
Aktivierung bereitsteht, oder durch beide Energiequellen simultan
bereitgestellt werden. Es zeigte sich, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme des
Anschlusses von zwei Energiequellen an die elektrischen Komponenten
des Positionsgebers nur geringfügige
Abänderungen
von bekannten Stellarmaturstrukturen und Positionsgebern vorgenommen
werden müssen,
um den Anschluß an
eine weitere Energiequelle zu schaffen.
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Des
weiteren erleichterte die doppelte Energiequelle die Justierung
des Grenzlagengebers dahingehend, daß mechanische Justiermittel
entbehrbar sind und ein Selbstabgleich durch die Präsenz wenigstens
einer Energiequelle durchführbar
ist. Außerdem
wird zumindest die Positionsermittlung des Positionsgebers auch
dann noch funktionssicher durchgeführt, wenn eine der Energiequellen
ausfallen sollte. Auf diese Weise wird der Sicherheitsstatus eines
mit dem erfindungsgemäßen Positionsgeber versehenen
pneumatischen Stellarmatursystems verbessert. Erfindungsgemäß sind die
Energiequellen derart aufeinander abgestimmt, daß sie sich nicht gegenseitig
beeinflussen können,
damit bei Ausfall einer Energiequelle keine elektrische Energie über den
Anschluß der
nunmehr alleinig speisenden Energiequelle in Richtung der ausgefallenen
Energiequelle übertragen
werden kann.
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Für die mit
dem Positionsgeber erfindungsgemäß zu verbindenden
Energiequellen können
die bereits in der Umgebung des Positionsgebers ohnehin vorliegenden
Energieversorgungseinrichtungen angezapft werden. Beispielsweise
kann eine der Energiequellen durch ein Bediengerät, wie einen PC oder einen
Handheldterminal, bereitgestellt sein. Dabei kann die eine Energiequelle
eine Versorgungsspannung von etwa 7 bis 8 Volt insbesondere mit
einem Stromstärkenbereich
von weniger als etwa 1 mA und über
etwa 2 mA umfassen.
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Eine
weitere Energiequelle kann durch Abgriff eines Spannungssignals,
insbesondere eines 24-Volt-Signals, geschaffen sein, das üblicherweise einem
elektro-pneumatischen Aktor, wie einem Magnetventil, zugeführt wird,
der auf einen pneumatischen Antrieb einwirkt. Wird einem Magnetventil
das Spannungssignal im Normalbetrieb der Anlage signalisiert, so
steuert das Magnetventil einen pneumatischen Antrieb derart an,
daß die
Stellarmatur in einer offenen Stellung verbleibt. Bei Ausfall des
Spannungssignals, also bei Nullstellung des Magnetventils, wird
der pneumatische Antrieb entlüftet,
wodurch die Stellarmatur in die geschlossene Lage selbsttätig verfahren
wird. Sollte also der Positionsgeber mit dem 24-Volt-Signal als
eine (zweite) Energiequelle versorgt werden, so ist der Energiebedarf
für die
Positionsgeber-Elektronik, nämlich
den Sensor und den Mikrorechner, des Positionsgebers in Normalbe trieb und
insbesondere für
den Justierungsbetrieb ausreichend gewährleistet. Bei Ausfall des
24-Volt-Signals, beispielsweise wegen eines Störfalls der Prozessanlage, bleibt
die Energieversorgung des Positionsgebers mit Hilfe der anderen
(ersten) Energiequelle bestehen. Dabei ist allerdings insbesondere
sicherzustellen, daß die
andere (erste) Energiequelle keine Energieimpulse via den Positionsgeber
dem „nullgestellten" Magnetventil zuführen darf.
Somit kann die andere (erste) Energiequelle das energielos gestellte Magnetventil
nicht unbeabsichtigterweise energetisch versorgen und die Stellarmatur
in eine geöffnete Position
verbringen.
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Bei
der oben beschriebenen Ausführung
des mit einem Spannungssignal versorgten Magnetventils kann vorzugsweise
der Positionsgeber eine zusätzliche
Schaltkomponente, wie ein Relais, aufweisen, die eine Spannungssignalleitung
von dem Positionsgeber hin zum Magnetventil abgangsseitig unterbrechen
oder schließen
kann. Auf diese Weise ist eine Selbstinitialisierung des Positionsgebers
einfach realisierbar, indem dem Relais entsprechende Schaltbefehle über den
Mikrorechner zugeführt
werden, die ein Verfahren der Stellarmatur in Endlagen – Stellarmatur
vollständig
geschlossen/Stellarmatur vollständig
offen – veranlassen.
Die dabei ermittelten Endpositionen können als Sollwert in einem
Speicher des Positionsgebers abgelegt werden.
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Erfindungsgemäß kann eine
der Energiequellen auch durch Zugriff auf eine elektrische Energieversorgung
eines Stellungsreglers der Stellarmatur gebildet sein. Dabei kann über eine
Zweidrahtleitung eine Spannung von beispielsweise 24 Volt an dem
Positionsgeber angelegt werden. Der Positionsgeber ist dazu ausgelegt,
eine Impedanz zwischen zwei Anschlußklemmen zu variieren, so daß ein Stromsignal
im Bereich von 4 bis 20 mA 0 bis 100% der durch den Positionsgeber
gemessenen Stellarmaturstellung entspricht.
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Bei
der bevorzugten Ausführung
des erfindungsgemäßen Positionsgebers
ist ein Netzteil oder ein Strom- und/oder Spannungsadapter zusätzlich als
Elektronikkomponente vorgesehen, der mit dem Mikrorechner und dem
Sensor verbunden ist. Beide Energiequellen sind unmittelbar an dem
Adapter angeschlossen. Dabei kann der Adapter mit einem gemeinsamen
Energieversorgungseingang des Positionsgebers oder mit zwei für jeweils
eine Energiequelle vorgesehenen Energieversorgungseingängen verbunden
sein.
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Vorzugsweise
sind der Adapter und der Mikrorechner in einem hermetisch abgedichteten
Gehäuse
des Grenzlagengebers untergebracht, wobei der Sensor entweder innerhalb
oder außerhalb
des Gehäuses
in der Nähe
des pneumatischen Antriebs angeordnet und mit dem Mikrorechner über eine
sich durch das Gehäuse
erstreckende Leitung oder kabellos über Funk verbunden ist.
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Der
Adapter ist vorzugsweise dazu ausgelegt, eine konstante Versorgungsspannung
dem Mikrorechner und dem Sensor bereitzustellen, welche Energiebeträge auch
immer von den beiden Energiequellen zum Adapter gelangen.
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Im
Falle von zwei separaten Versorgungseingängen am Positionsgeber, einer
für jeweils
eine Energiequelle, umfasst der Adapter auch zwei separate Eingangsanschlüsse, die
vorzugsweise zueinander rückkopplungsfrei
sind. Die Rückkopplungsfreiheit
der Eingangsanschlüsse
des Adapters und somit die Rückkopplungsfreiheit
der beiden Energiequellen zueinander kann durch Integration wenigstens
einer Diode in einer Verbindungsleitung zwischen dem Eingangsanschluß des Adapters
und dem Versorgungseingang des Grenzlagengebers realisiert sein.
Die Diode stellt sicher, daß ein
Energiefluß nur
hin zum Adapter zugelassen wird. Diese Dioden-Anordnung ist insbesondere
bei Bildung einer Energiequelle durch das 24-Volt-Abschaltsignal bevorzugt,
weil damit eine Rückkopplung
der anderen Energiequelle bei Fehlen des 24-Volt-Abschaltsignals
ausgeschlossen ist. Bei einer besonderen Ausführung der Erfindung ist der
Adapter unmittelbar an den Mikrorechner und mittelbar über den
Mikrorechner an den Sensor angeschlossen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist der Positionsgeber derart weitergebildet, daß ihm eine
Stellungsregelungsfunktion für
die Stellarmatur eigen ist. Dafür
kann der Mikrorechner des Positionsgebers eine Diagnosefunktion
realisieren, wobei er insbesondere ein Soll-Ist-Wert-Vergleich und/oder
einen Vergleich des Zeitverhaltens der Stellarmatur realisiert.
Des weiteren kann der Positionsgeber mit einem Speicher versehen
sein, der insbesondere für
die Speicherung der Soll-Werte und/oder Ist-Werte der Endpositionen
bzw. von Positionssignalen des Sensors und/oder eines Testsignals
oder einer Testsequenz dem Mikrorechner zugeordnet ist.
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Um
eine möglichst
genaue Stellungsregelung durch den stellungsregelartigen Positionsgeber zu
gewährleisten,
ist der Sensor, insbesondere ein analoger Sensor, dazu ausgelegt,
die Position der Stellarmatur kontinuierlich zu erfassen.
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Vorzugsweise
ist der Positionsgeber ein Grenzlagengeber, der wenigstens eine
Endposition der Stellarmatur ermittelt.
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Des
weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem pneumatischen
Antrieb, insbesondere einem pneumatischen Schwenkantrieb, zum Betätigen einer
Stellarmatur, insbesondere eines Schnellschlußsicherheitsventils, und einem
erfindungsgemäßen Positionsgeber.
Vorzugsweise ist die Anordnung zusätzlich mit einem separaten
Stellungsregler versehen.
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Weitere
Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden durch
die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnung deutlich, in der die Figur ein Blockschaltbild
der erfindungsgemäßen Anordnung
mit einem pneumatischen Antrieb und einem erfindungsgemäßen Positionsgeber
zeigt.
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In
der Fig ist allgemein ein pneumatisch betriebenes Schwenkarmatursystem
mit der Bezugsziffer 1 versehen. Die Anordnung des Schwenkarmatursystems 1 umfaßt folgende
Hauptbe standteile: eine Schwenkarmatur 3, einen pneumatischen
Schwenkantrieb 5 mit einer Schwenkwelle 7, deren
Schwenkbewegung mit dem Pfeil 9 angedeutet ist, einen als Magnetventil
ausgebildeten pneumatischen Aktor 11 und einen erfindungsgemäßen Grenzlagengeber 13 als
einfacher Positionsgeber.
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Der
pneumatische Aktor 11 ist über eine Rohrleitung 15 mit
einer Luftdruckquelle verbunden, die nicht näher dargestellt ist. Über eine
Rohrleitung 17 ist der pneumatische Aktor 11 mit
dem pneumatischen Schwenkantrieb 5 verbunden. Der pneumatische
Aktor 11 ist über
eine Spannungssignalleitung 12 mit einem 24-Volt-Abschaltsignal
energetisch versorgt. Bei fehlendem 24-Volt-Abschaltsignal entlüftet der
pneumatische Aktor 11, so daß der pneumatische Schwenkantrieb 5 unter
dem Einfluß einer
vorgespannten Feder (nicht näher
dargestellt) in eine Sicherheitsposition schwenkt und die Schwenkarmatur 3 schließt.
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Der
erfindungsgemäße Grenzlagengeber 13 umfaßt ein Gehäuse 19,
in dem ein Netzteil 21 oder ein Strom- und/oder Spannungsadapter
sowie ein Mikrorechner 23 abgedichtet untergebracht sind.
An dem Gehäuse 19 sind
zwei separate elektrische Versorgungseingänge 25, 27 vorgesehen,
die jeweils mit einer eigenen Energiequelle verbunden sind, welche Energiequellen
voneinander unabhängig
sind.
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Die
Energiequellen sind am Ende zweier Versorgungsleitungen 29, 31,
die an dem jeweiligen Versorgungseingang 25, 27 angeschlossen
sind, mit den Bezugsziffern 33, 35 angedeutet.
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Die
Energiequelle 33, die mit dem Versorgungseingang 25 des
Grenzlagengebers 13 verbunden ist, ist bei dem in der Figur
dargestellten Beispiel durch eine 7-Volt-Versorgungsspannung mit einem Stromstärkebereich
von weniger als 1 mA und über etwa
2 mA realisiert, welche elektrische Energie von einem Bediengerät, wie einem
PC, (nicht dargestellt) bereitgestellt wird. Das Bediengerät ist über die
als elektrisches Aderpaar gemäß der Zweileitertechnik ausgebildete
Versorgungsleitung 29 mit dem Versorgungseingang 25 am Gehäuse 19 des
Grenzlagengebers 13 verbunden. Am Versorgungseingang 25 ist eine
Doppelklemme 39 vorgesehen, die mit dem Mikrorechner 23 und
dem Netzteil 21 elektrisch verbunden ist. Über eine
Abgriffsleitung 41 ist das Netzteil 21 mit der
energieführenden
Versorgungsleitung 29 verbunden. In der Abgriffsleitung 41 ist
eine Diode 43 eingebunden, welche die Rückkopplungsfreiheit der bediengerätseitigen
Energiequelle dadurch sicherstellt, daß sie einen Energiefluß von dem
Netzteil 21 hin zur Doppelklemme 39 unterbindet.
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Am
Ende der Versorgungsleitung 31 ist die Energiequelle 35 durch
Abgriff von einer nicht näher dargestellten
24-Volt-Signalleitung gebildet, die mit dem pneumatischen Aktor 11 verbunden
ist (nicht dargestellt). Ebenfalls am Versorgungseingang 27 ist innerhalb
des Gehäuses 19 eine
Doppelklemme 45 vorgesehen, an der eine Innenleitung 47 die
Verbindung mit dem Netzteil 21 bereitstellt. In der Innenleitung 47 ist
ebenfalls eine die Rückkopplungsfreiheit sicherstellende
Diode 49 eingefügt,
die einen Rückfluß von Energie
von dem Netzteil 21 hin zur Doppelklemme 45 unterbindet.
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Das
Netzteil 21 erzeugt eine konstante Versorgungsspannung
V, die über
die Leitung 51 dem Mikrorechner 23 zugeführt wird.
Der Mikrorechner 23 ist über eine Anschlußleitung 53 mit
einem analogen Sensor 55, wie einem Hall-Element, verbunden,
der sämtliche
Positionen, vorzugsweise die Endposition, der Schwenkwelle 7 ermittelt.
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Sollte
die 24-Volt-Energieversorgung 35 unterbleiben, so gewährleistet
weiterhin die Energieversorgung 33 den funktionsgemäßen Betrieb
des Grenzlagengebers 13 und übermittelt die Position der
Schwenkarmatur 3, die aufgrund der Entlüftung des pneumatischen Aktuators 11 eingenommen
wurde.
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Dem
Magnetventil 11 ist ein Relais 59 vorgeschaltet,
das in der Spannungssignalleitung 12 eingebunden ist. Von
dem Mikrorechner 23 läuft
eine Steuerleitung 57 zum Relais 59. Über die
Steuerleitung 57 kann ein Mikrorechner 53 dem
Relais 59 ein Steuersignal zum Unterbre chen der Energieversorgung
des Magnetventils 11 über
die Spannungssignalleitung 12 mitteilen. Unterbricht das
Relais 59 die Spannungsignalleitung 12, wie in
Figur dargestellt ist, wird das Magnetventil 11 energielos
gesetzt, wodurch der pneumatische Antrieb 5 entlüftet wird
und die Stellarmatur 3 in einer Sicherheitsstellung selbsttätig verfährt.
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Es
sei klar, daß auch
der Sensor 55, das Relais 59 und die Steuerleitung 57 innerhalb
des Gehäuses 19 des
Positionsgebers 13 untergebracht ist, was durch die gestrichelte
Linie angedeutet sein soll.
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Es
sei klar, daß auch
andere Energiequellen in der Umgebung des pneumatischen Schwenkarmatursystems 1 zur
Realisierung der beiden Energiequellen 33, 35,
wie die Energieversorgung, insbesondere die Regelungssignale, eines
benachbarten nicht näher
dargestellten Stellungsreglers, herangezogen werden können.
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Der
erfindungsgemäße Grenzsignalgeber 13 kann
besonders einfach eingestellt werden. Eine in einem nicht näher dargestellten
Programmspeicher abgelegte Signalsequenz erlaubt das automatische Anfahren
von Endlagen der Stellarmatur 3. Die Endlagen werden durch
den Mikrorechner 23 erkannt und in dem nicht dargestellten
Speicher abgelegt. Auf diese Weise kann jegliche mechanische Justierung unterbleiben.
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Weiter
ist ein bestimmte Programmsequenz durchführbar, bei der Diagnoseinformationen
zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit
der Stellarmatur gewonnen werden können. Hierbei ist insbesondere
der sogenannte Teilhubtest von Bedeutung. Dabei wird die Stellarmatur
um etwa 10% des Gesamtverfahrweges aus ihrer Endlage verfahren.
Für die
entsprechende Ansteuerung der Stellarmatur werden mehrere Impulse
am pneumatischen Aktor 11 erzeugt, deren Dauer während der
oben beschriebenen automatischen Einstellung des Grenzsignalgebers 13 ermittelbar
sind. Im laufenden Betrieb der nicht näher dargestellten Prozeßanlage
wird dann ein Teilhub mit einer festgelegten Ansteuersequenz des
pneumatischen Aktuators durchgeführt,
wobei gegebenenfalls eine Sprungweite, eine Überschwingung, eine Totzeit oder
auch ein Weg-Zeitdiagramm der Stellarmatur durch den Grenzlagengeber 13 aufgezeichnet
wird.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung
der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein.
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- 1
- Schwenkarmatursystem
- 3
- Schwenkarmatur
- 5
- Schwenkantrieb
- 7
- Schwenkwelle
- 9
- Schwenkbewegung
- 11
- pneumatischer
Aktor
- 12
- Spannungssignalleitung
- 13
- Grenzlagengeber
- 15,
17
- Rohrleitung
- 19
- Gehäuse
- 21
- Netzteil
- 23
- Mikrorechner
- 25,
27
- Versorgungseingang
- 29,
31
- Versorgungsleitung
- 33,
35
- Energiequelle
- 39,
45
- Doppelklemme
- 41
- Abgriffsleitung
- 43,
49
- Diode
- 47
- Innenleitung
- 51
- Leitung
- 53
- Anschlußleitung
- 55
- Sensor
- 57
- Steuerungsleitung
- 59
- Relais
- V
- Versorgungsspannung