DE102016216923B4

DE102016216923B4 - Method for detecting a valve state and drive head for carrying out the method

Info

Publication number: DE102016216923B4
Application number: DE102016216923.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Steltner; Jörg Bochterle
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: DE102016216923A1

Abstract

Verfahren zur Erfassung eines Ventilzustands mit den Schritten: Erfassen von mechanischen Schwingungen (70) eines Ventils (60, 160) mit Schwingungsmitteln (20, 120) und Bereitstellen eines von den mechanischen Schwingungen (70) abhängigen Sensorsignals an eine Verarbeitungseinrichtung (30, 130); Umformen des Sensorsignals in ein Sensorsignalspektrum; Vergleichen des Sensorsignalspektrums mit gespeicherten Referenzsignalspektren und Ermitteln von Abweichungen zwischen dem Sensorsignalspektrum und den jeweiligen Referenzsignalspektren, Ausgeben von Ventilzustandsmerkmalen, die denjenigen Referenzsignalspektren zugeordnet sind, deren ermittelte Abweichung zum Sensorsignalspektrum innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbands liegt, wobei die Schwingungsmittel (20, 120) mechanische Schwingungen (70) in das Ventil (60, 160) einleiten und mechanische Schwingungen (70) vom Ventil (60, 160) erfassen und von den erfassten mechanischen Schwingungen (70) abhängige Sensorsignale an die Verarbeitungseinrichtung (30, 130) bereitstellen.Method for detecting a valve state, comprising the steps of: detecting mechanical oscillations (70) of a valve (60, 160) with oscillation means (20, 120) and providing a sensor signal dependent on the mechanical oscillations (70) to a processing device (30, 130) ; Transforming the sensor signal into a sensor signal spectrum; Comparing the sensor signal spectrum with stored reference signal spectra and determining deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra, outputting valve state characteristics associated with those reference signal spectra whose detected deviation from the sensor signal spectrum lies within a predeterminable tolerance band, wherein the vibration means (20, 120) generate mechanical vibrations (20, 120) 70) into the valve (60, 160) and detect mechanical oscillations (70) from the valve (60, 160) and provide sensor signals dependent on the detected mechanical vibrations (70) to the processing means (30, 130).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Ventilzustands. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Antriebskopf zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for detecting a valve state. Furthermore, the invention relates to a drive head for carrying out the method.

Aus der DE 199 24 377 A1 ist ein Diagnosesystem für ein von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbares Ventil bekannt, das eine Einrichtung zur Erfassung, Speicherung und Auswertung von Körperschallspektren an dem Ventil aufweist. Um eine besonders zuverlässige Diagnose an Ventilen zu ermöglichen, ist in der Einrichtung zur Erfassung, Speicherung und Auswertung von Körperschallspektren ein bei geringfügig geöffnetem intakten Ventil erfasstes Körperschallspektrum abspeicherbar, wobei das Ventil zu Diagnosezwecken schließbar ist und die Ähnlichkeit des dabei erfassten Körperschallspektrums mit dem abgespeicherten Körperschallspektrum als ein Kriterium für eine Undichtigkeit des Ventils herangezogen wird.From the DE 199 24 377 A1 For example, a diagnostic system is known for a valve which can be actuated by a positioner via a drive and has a device for recording, storing and evaluating structure-borne sound spectra at the valve. In order to enable a particularly reliable diagnosis of valves, a structure-borne sound spectrum detected at a slightly opened intact valve can be stored in the device for recording, storing and evaluating structure-borne sound spectra, wherein the valve can be closed for diagnostic purposes and the similarity of the structure-borne sound spectrum recorded with the stored structure-borne noise spectrum is used as a criterion for a leakage of the valve.

Ferner ist aus der DE 10 2012 016 295 A1 ein Verfahren zum Quantifizieren eines Leckagedurchflusses an einem eine Prozessströmung drosselnden Prozessstellventil bekannt, wobei unter Verwendung eines intakten Referenzstellventils mehrere Referenzdurchflusswerte vorab ermittelt werden, indem das Referenzstellventil in mehrere Referenzöffnungsstellungen gebracht wird und für jede Referenzöffnungsstellungen der jeweilige Referenzdurchflusswert gemessen wird. Ferner wird beim Ermitteln des jeweiligen Referenzdurchflusswerts ein in der Umgebung des Referenzstellventils erfasster Referenz-Körperschall dem jeweiligen Referenzdurchflusswert zugeordnet und ein Momentan-Körperschall am geschlossenen Prozessstellventil ermittelt. Anschließend wird über einen Identitäts- oder Näherungsvergleich der dem ermittelten Momentan-Körperschall nächstkommende Referenz-Körperschall identifiziert und der zu quantifizierende Leckagedurchfluss wird mit dem dem identifizierten Referenz-Körperschall zugeordneten Referenzdurchflusswert gleichgesetzt.Furthermore, from the DE 10 2012 016 295 A1 discloses a method for quantifying a leakage flow rate at a process control valve throttling a process flow, wherein a plurality of reference flow values are pre-determined using an intact reference control valve by bringing the reference control valve into a plurality of reference opening positions and measuring the respective reference flow value for each reference opening position. Furthermore, when determining the respective reference flow value, a reference structure-borne sound detected in the vicinity of the reference control valve is assigned to the respective reference flow value and a momentary structure-borne noise is determined at the closed process control valve. Subsequently, the reference structure-borne sound closest to the determined instantaneous structure-borne sound is identified by way of an identity or approximation comparison, and the leakage flow to be quantified is set equal to the reference flow value assigned to the identified reference structure-borne sound.

Die DE 199 47 129 A1 offenbart ein Diagnosesystem und ein Diagnoseverfahren, insbesondere für ein von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbares Ventil, mit einem Aufnehmer für Körperschall und mit einer Einrichtung zur Auswertung eines aufgenommenen Meßsignals, wobei ein Spektralbereich oberhalb 50 kHz zu Fehlererkennung ausgewertet wird und ein Fehlermeldesignal erzeugt wird, wenn die Intensität des Meßsignals in diesem Spektralbereich einen bestimmten Schwellwert übersteigt, so dass zur Fehlererkennung überwiegend der durch Kavitation verursachte Schall ausgewertet wird.The DE 199 47 129 A1 discloses a diagnostic system and a diagnostic method, in particular for a valve operable by a positioner via a drive, with a transducer for structure-borne noise and with a device for evaluating a recorded measurement signal, wherein a spectral range above 50 kHz is evaluated for error detection and an error message signal is generated, if the intensity of the measuring signal in this spectral range exceeds a specific threshold value, so that the sound caused by cavitation is predominantly evaluated for error detection.

Aus der WO 2004/102 052 A1 sind ein Diagnosesystem und ein Diagnoseverfahren für ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil einer Verdrängerpumpe, bekannt, bei denen mit zumindest einem Aufnehmer für Körperschall ein erster Wert einer Kenngrösse eines im geschlossenen Zustand des Ventils aufgenommenen Schallsignals und ein zweiter Wert einer Kenngrösse eines im geöffneten Zustand eines Ventils aufgenommenen Schallsignals zeitgleich ermittelt werden. Ein Signal zur Anzeige einer Störung wird ausgegeben, wenn die Abweichung des ersten Werts vom zweiten Wert einen vorgebbaren Schwellwert übersteigt, wobei hierdurch eine besonders gute Unempfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Anlagengeräuschs erreicht wird.From the WO 2004/102 052 A1 are a diagnostic system and a diagnostic method for a valve, in particular a check valve of a positive displacement pump, known in which at least one transducer for structure-borne noise a first value of a characteristic of a recorded in the closed state of the valve sound signal and a second value of a characteristic of an open state of a Valves recorded sound signal can be determined at the same time. A signal for indicating a fault is output when the deviation of the first value from the second value exceeds a predefinable threshold value, whereby a particularly good insensitivity to changes in the system noise is achieved.

Die DE 43 26 343 A1 beschreibt ein Diagnose-System für Regel- und Absperrarmaturen, das den Prozessor eines intelligenten Stellungsreglers als digitalen Signalprozessor nutzt, der an den Betrieb der Armatur überwachende bzw. Betriebsgrößen der Armatur messende Sensoren angeschlossen ist und bei Abweichung der gemessenen Werte von zuvor bei einwandfreiem Betrieb der Armatur aufgenommenen Vergleichs-Messwerten ein Alarmsignal ausgibt.The DE 43 26 343 A1 describes a diagnosis system for control and shut-off valves, which uses the processor of a smart positioner as a digital signal processor, which is connected to the operation of the fitting monitoring or operating variables of the fitting measuring sensors and deviation of the measured values of previously in perfect operation of the Armature recorded comparison measured values an alarm signal outputs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und mindestens eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine verbesserte Erfassung eines Ventilzustandes eines Ventils ermöglicht.The invention has for its object to provide a method and at least one device of the type mentioned, which allows an improved detection of a valve state of a valve.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Verfahren zur Erfassung eines Ventilzustandes beruht auf den Schritten: Erfassen von mechanischen Schwingungen eines Ventils mit Schwingungsmitteln und Bereitstellen eines von den mechanischen Schwingungen abhängigen Sensorsignals an eine Verarbeitungseinrichtung; Umformen des Sensorsignals in ein Sensorsignalspektrum; Vergleichen des Sensorsignalspektrums mit gespeicherten Referenzsignalspektren und Ermitteln von Abweichungen zwischen dem Sensorsignalspektrum und den jeweiligen Referenzsignalspektren, Ausgeben von Ventilzustandsmerkmalen, die denjenigen Referenzsignalspektren zugeordnet sind, deren ermittelte Abweichung zum Sensorsignalspektrum innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbands liegt, wobei die Schwingungsmittel mechanische Schwingungen in das Ventil einleiten und mechanische Schwingungen vom Ventil erfassen und von den erfassten mechanischen Schwingungen abhängige Sensorsignale an die Verarbeitungseinrichtung bereitstellen.This object is achieved for a method of the type mentioned by the features of claim 1. The method for detecting a valve state is based on the steps of: detecting mechanical vibrations of a valve with vibration means and providing a sensor signal dependent on the mechanical vibrations to a processing device; Transforming the sensor signal into a sensor signal spectrum; Comparing the sensor signal spectrum with stored reference signal spectra and determining deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra, outputting valve state characteristics associated with those reference signal spectra whose detected deviation from the sensor signal spectrum is within a predeterminable tolerance band, said vibration means introducing mechanical vibrations into the valve and mechanical ones Detecting vibrations from the valve and provide sensor signals dependent on the detected mechanical vibrations to the processing device.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die mechanischen Schwingungseigenschaften eins Ventils über dessen Betriebslebensdauer in Abhängigkeit des Verschleißzustandes des Ventils ändern. Ferner beruht die Erfindung darauf, dass diese Änderungen durch einen Vergleich eines auf Basis der ermittelten Schwingungen des Ventils berechneten Sensorsignalspektrums mit Referenzsignalspektren des Ventils als Abweichungen feststellbar sind. Dabei sind den Referenzsignalspektren jeweils Ventilzustandsmerkmale zugeordnet, die verschiedene Verschließzustände des Ventils beschreiben. Diejenigen Referenzsignalspektren, deren Abweichung vom ermittelten Sensorsignalspektrum innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbandes liegen, werden ermittelt und beispielsweise zwischengespeichert. Die den zwischengespeicherten Referenzsignalspektren zugeordneten Ventilzustandsmerkmale werden anschließend beispielsweise an einer Ausgabeschnittstelle ausgegeben. Somit kann beispielsweise eine mit der Ausgabeschnittstelle gekoppelte übergeordnete Steuerung anhand der Ventilzustandsmerkmale Rückschlüsse auf einen ventilzustand ziehen.The invention is based on the recognition that the mechanical vibration characteristics of a valve over its service life as a function of the state of wear of the valve to change. Furthermore, the invention is based on the fact that these changes can be detected by comparing a sensor signal spectrum calculated on the basis of the determined oscillations of the valve with reference signal spectra of the valve as deviations. In each case, valve state characteristics are assigned to the reference signal spectra, which describe different closing states of the valve. Those reference signal spectra whose deviation from the determined sensor signal spectrum lie within a predefinable tolerance band are determined and temporarily stored, for example. The valve state characteristics associated with the buffered reference signal spectra are then output, for example, at an output interface. Thus, for example, a higher-level control coupled to the output interface can draw conclusions about a valve state on the basis of the valve state characteristics.

Bei dem Ventil handelt es sich beispielsweise um ein Scheibenventil oder Klappenventil, das zur Beeinflussung von Schüttgutströmungen oder Flüssigkeitsströmungen verwendet wird. Das Verfahren kann allerdings auch bei anderen Ventilen zum Einsatz kommen, die benutzungsbedingte Verschleißerscheinungen oder Beschädigungen aufweisen können, beispielsweise bei Pneumatikventilen.The valve is, for example, a disc valve or flap valve used to influence bulk flow or fluid flow. However, the method can also be used in other valves that may have wear-related or damage caused by use, for example in pneumatic valves.

Das Verfahren sieht vor, dass zunächst mechanische Schwingungen eines Ventils mit Schwingungsmitteln erfasst und als Sensorsignal an eine Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt werden. Die mechanischen Schwingungen treten am Ventil während des Betriebs des Ventils auf, zum Beispiel infolge eines durch das Ventil hindurch strömenden Fluids und/oder durch Stellbewegungen eines Ventilglieds des Ventils. Das von den Schwingungsmitteln erfasste Sensorsignal ist von den erfassten Schwingungen abhängig, so dass eine Änderung des Schwingungsverhaltens des Ventils unmittelbar in einer Änderung des Sensorsignals resultiert. Bei den Schwingungsmitteln handelt es sich beispielsweise um einen oder mehrere piezoelektrische Schallwandler oder um ein oder mehrere Mikrofone, die die mechanischen Schwingungen des Ventils in einem festgelegten vorzugsweise möglichst großen Frequenzspektrum als Sensorsignal erfassen und bereitstellen.The method provides that initially mechanical vibrations of a valve are detected by means of vibration and provided as a sensor signal to a processing device. The mechanical vibrations occur at the valve during operation of the valve, for example due to a fluid flowing through the valve and / or by actuating movements of a valve member of the valve. The sensor signal detected by the vibration means is dependent on the detected vibrations, so that a change of the vibration behavior of the valve results directly in a change of the sensor signal. The vibration means are, for example, one or more piezoelectric sound transducers or one or more microphones, which detect and provide the mechanical vibrations of the valve in a predetermined preferably as large as possible frequency spectrum as a sensor signal.

Es ist vorteilhaft, wenn mehrere Schwingungsmittel am Ventil zur Erfassung von mechanischen Schwingungen angeordnet sind, es ist allerdings ausreichend, wenn lediglich ein einziges Schwingungsmittel am Ventil angebracht ist.It is advantageous if a plurality of vibration means are arranged on the valve for detecting mechanical vibrations, but it is sufficient if only a single vibration means is mounted on the valve.

Das Verfahren sieht weiterhin vor, dass das Sensorsignal in einer Verarbeitungseinrichtung in ein Sensorsignalspektrum umgeformt wird. Die Verarbeitungseinrichtung steht mit den Schwingungsmitteln in Verbindung, um deren Sensorsignale zu empfangen und umfasst beispielsweise einen Microcontroller und einen Speicher. Die Verarbeitungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie die von den Schwingungsmitteln bereitgestellten Sensorsignale zu Sensorsignalspektren umformen kann, die für den nachfolgenden Vergleich mit Referenzsignalspektren benötigt werden. Weiterhin ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, einen nachfolgend beschriebenen Vergleich durchzuführen.The method further provides that the sensor signal is converted in a processing device into a sensor signal spectrum. The processing device is in communication with the vibration means to receive their sensor signals and includes, for example, a microcontroller and a memory. The processing device is designed such that it can transform the sensor signals provided by the oscillation means into sensor signal spectra, which are required for the subsequent comparison with reference signal spectra. Furthermore, the processing device is designed to perform a comparison described below.

Das Verfahren sieht weiterhin vor, dass ein Vergleich des Sensorsignalspektrums mit gespeicherten Referenzsignalspektren erfolgt, und dass Abweichungen zwischen dem Sensorsignalspektrum und den jeweiligen Referenzsignalspektren ermittelt werden. Der Vergleich wird in der Verarbeitungseinrichtung durchgeführt, indem dem Sensorsignalspektrum sukzessive gespeicherte Referenzsignalspektren gegenübergestellt werden. Hierbei wird jeweils eine Abweichung zwischen dem Sensorsignalspektrum und dem jeweiligen gespeicherten Referenzsignalspektrum ermittelt. Die Referenzsignalspektren repräsentieren mechanische Schwingungen des Ventils, die von Schwingungsmitteln vor dem Betrieb des Ventils in unterschiedlichen Ventilzuständen des Ventils erfasst und in als Referenzsignalspektren bezeichnete Signalspektren umgeformt werden. Beispielsweise wird ein Referenzsignalspektrum für einen als Neuzustand bezeichneten Ventilzustand erfasst, in dem das Ventil keinen Verschließ aufweist. Gleichzeitig werden Informationen, beispielsweise über den Ventilzustand und den Verschließ des Ventils, als Ventilzustandsmerkmale abgelegt und dem erfassten Referenzsignalspektrum zugeordnet.The method further provides that a comparison of the sensor signal spectrum with stored reference signal spectra is carried out, and that deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra are determined. The comparison is performed in the processing device by successively comparing stored reference signal spectra with the sensor signal spectrum. In each case, a deviation between the sensor signal spectrum and the respective stored reference signal spectrum is determined. The reference signal spectra represent mechanical oscillations of the valve detected by vibratory means prior to operation of the valve in different valve states of the valve and transformed into signal spectra called reference signal spectra. For example, a reference signal spectrum is detected for a valve state designated as a new state in which the valve has no closure. At the same time information, for example about the valve state and the closure of the valve, stored as a valve state characteristics and assigned to the detected reference signal spectrum.

Es ist vorteilhaft, wenn zur Erfassung des Ventilzustands eine Vielzahl von Referenzsignalspektren mit Ventilzustandsmerkmalen zu unterschiedlichen Ventilzuständen und Verschleißzuständen erfasst und bereitgestellt werden, so dass bei dem Vergleich des Sensorsignalspektrums mit dem gespeicherten Referenzsignalspektren eine Vielzahl von Ventilzustandsmerkmalen mit Informationen zu unterschiedlichen Ventilzuständen und Verschleißzuständen vorliegen.It is advantageous if, for the purpose of detecting the valve state, a multiplicity of reference signal spectra with valve state characteristics for different valve states and wear states are detected and provided, such that a comparison of the sensor signal spectrum with the stored reference signal spectra provides a multiplicity of valve state characteristics with information on different valve states and wear states.

Es ist auch möglich, dass Referenzsignalspektren nicht in einem Neuzustand des Ventils sondern zu einem späteren Betriebszeitpunkt ermittelt werden, beispielsweise wenn keine Referenzsignalspektren zum Neuzustand des Ventils vorliegen. It is also possible that reference signal spectra are not determined in a new state of the valve but at a later operating time, for example, when there are no reference signal spectra for new condition of the valve.

Weiterhin sieht das Verfahren vor, dass die Ventilzustandsmerkmale ausgegeben werden, die denjenigen Referenzsignalspektren zugeordnet sind, deren ermittelte Abweichung zum Sensorsignalspektrum innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbands liegt. Hierdurch wird erreicht, dass einander ähnliche Sensorsignalspektren und Referenzsignalspektren ermittelt und ausgegeben werden, so dass über die Referenzsignalspektren und die den Referenzsignalspektren zugeordneten Ventilzustandsmerkmale ein Beurteilung des Ventilzustandes vorgenommen werden kann. Beispielsweise hüllt das Toleranzband einen Abschnitt des Sensorsignalspektrums bei einem bestimmten Frequenzbereich oder das gesamte Sensorsignalspektrum des Sensorsignalspektrums ein.Furthermore, the method provides that the valve state characteristics are output, which are assigned to those reference signal spectra whose determined deviation from the sensor signal spectrum is within a predefinable tolerance band. This ensures that similar sensor signal spectra and Reference signal spectra are determined and output, so that on the reference signal spectra and the reference signal spectra associated valve state characteristics, an assessment of the valve state can be made. For example, the tolerance band envelopes a portion of the sensor signal spectrum at a particular frequency range or the entire sensor signal spectrum of the sensor signal spectrum.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Auswertung von Phasenlagen und/oder von Amplituden des Sensorsignalspektrums relativ zu den Phasenlagen und/oder den Amplituden des jeweiligen Referenzsignalspektrums zur Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Sensorsignalspektrum und dem jeweiligen Referenzsignalspektren erfolgt. Dabei wird beispielsweise eine Differenz zwischen dem, vorzugsweise bei einer Eigenfrequenz des Ventils, ermittelten Sensorsignalspektrum und einem Referenzsignalspektrum gebildet. Die Differenzbildung kann ergänzend oder alternativ im Hinblick auf die Phasenlage und/oder die Amplituden der Spektren erfolgen.In a further development of the invention, it is provided that an evaluation of phase angles and / or amplitudes of the sensor signal spectrum relative to the phase positions and / or the amplitudes of the respective reference signal spectrum for determining deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra. In this case, for example, a difference between the, preferably at a natural frequency of the valve, determined sensor signal spectrum and a reference signal spectrum is formed. The difference can be complementary or alternative with respect to the phase position and / or the amplitudes of the spectra.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schwingungsmittel mechanische Schwingungen in das Ventil einleiten, vorzugsweise in ein Ventilglied des Ventils, und mechanische Schwingungen vom Ventil erfassen und von den erfassten mechanischen Schwingungen abhängige Sensorsignale an die Verarbeitungseinrichtung bereitstellen. Derartige Schwingungsmittel sind beispielsweise piezoelektrische Schallwandler oder Lautsprecher, die zur Einleitung von mechanischen Schwingungen mit einer oder mehreren, insbesondere frei wählbaren Frequenzen ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Schwingungsmittel zur Einleitung von mechanischen Schwingungen mit Frequenzen im Ultraschallbereich, beispielsweise mit Frequenzen im Intervall von 16 kHz bis 1.000 kHz, ausgebildet sind.According to the invention, it is provided that the vibration means introduce mechanical vibrations into the valve, preferably into a valve member of the valve, and detect mechanical vibrations from the valve and provide sensor signals dependent on the detected mechanical vibrations to the processing device. Such vibration means are, for example, piezoelectric transducers or loudspeakers, which are designed to introduce mechanical vibrations with one or more, in particular freely selectable frequencies. Preferably, the vibration means for the introduction of mechanical vibrations with frequencies in the ultrasonic range, for example, with frequencies in the interval 16 kHz to 1000 kHz, are formed.

Die Einleitung von mechanischen Schwingungen mit Schwingungsmitteln hat den Vorteil, dass die Erfassung eines Ventilzustands des Ventils zu vorgegebenen Zeitpunkten und unabhängig von mechanischen Schwingungen durchgeführt werden kann, die durch den Betrieb des Ventils hervorgerufen werden. Die Einleitung von mechanischen Schwingungen hat auch den Vorteil, dass Schwingungen mit einer vorgegebenen Frequenz oder Amplitude, beispielsweise einer einzigen Frequenz oder einer Abfolge von Prüffrequenzen und/oder mit unterschiedlichen Schwingungsamplituden eingeleitet werden können. Die Schwingungsmittel sind zur Einleitung der mechanischen Schwingungen in das Ventil vorzugsweise direkt am Ventilglied angeordnet.The introduction of mechanical vibrations with vibration means has the advantage that the detection of a valve state of the valve can be carried out at predetermined times and independently of mechanical vibrations, which are caused by the operation of the valve. The introduction of mechanical vibrations also has the advantage that vibrations with a predetermined frequency or amplitude, for example a single frequency or a sequence of test frequencies and / or with different vibration amplitudes can be initiated. The vibration means are arranged to initiate the mechanical vibrations in the valve, preferably directly on the valve member.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die von der Schwingungsmitteln eingeleiteten mechanischen Schwingungen aus der nachfolgenden Gruppe stammen: Dirac-Einzel-Stoß, kontinuierliche Anregung, Puls-Anregung mit vorgebbarem Puls-Pause-Verhältnis, Anregung mit Modulation der Anregungsfrequenz und/oder der Anregungsamplitude. Der Dirac-Einzel-Stoß ist eine Anregung, die einem idealen Dirac-Stoß nachempfunden ist, um eine Einzelanregung des Ventils durch das Schwingungsmittel zu erreichen. Bei einer kontinuierlichen Anregung des Ventils werden die Anregungsfrequenz und die Anregungsamplitude konstant gehalten. Bei einer Puls-Anregung mit vorgebbarem Puls-Pause-Verhältnis erfolgen Anregungen in wiederkehrender Folge in jeweils konstanten Zeitabschnitten mit dazwischenliegenden Pausenabschnitten. Bei einer Anregung mit Modulation der Anregungsfrequenz und/oder der Anregungsamplitude, die auch als Sweep-Anregung bezeichnet wird, erfolgt eine Veränderung der Anregungsfrequenz und/oder der Anregungsamplitude nach einem vorgebbaren Ablauf. Insbesondere erfolgt innerhalb eines Anregungsablaufs eine Veränderung der Anregungsfrequenz mit konstantem Gradienten (Frequenzveränderung pro Zeiteinheit).In a further development of the invention, it is provided that the mechanical vibrations introduced by the oscillation means originate from the following group: Dirac single impact, continuous excitation, pulse excitation with prescribable pulse-pause ratio, excitation with modulation of the excitation frequency and / or the excitation amplitude. The Dirac single-shot is an excitation modeled on an ideal Dirac shock to achieve single excitation of the valve by the vibrating means. With a continuous excitation of the valve, the excitation frequency and the excitation amplitude are kept constant. In the case of a pulse excitation with a predefinable pulse-pause ratio, excitations take place in a recurring sequence in respectively constant time intervals with intermediate pause sections. In an excitation with modulation of the excitation frequency and / or the excitation amplitude, which is also referred to as sweep excitation, there is a change in the excitation frequency and / or the excitation amplitude after a predeterminable sequence. In particular, a change in the excitation frequency with a constant gradient takes place within an excitation sequence (frequency change per unit of time).

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit den Schwingungsmitteln eine Anregung des Ventils mit wenigstens einer vorgebbaren Eigenfrequenz erfolgt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine Signalantwort des Ventils besonders stark ausfällt und diese Signalantwort im Vergleich zu einem gespeicherten Zustand auch im Hinblick auf eine verschleißbedingte oder betriebszustandsbedingte Veränderung der Eigenfrequenzen in günstiger Weise untersucht werden kann.In a further development of the invention, it is provided that the vibration means are used to excite the valve with at least one predefinable natural frequency. In this case, it is assumed that a signal response of the valve is particularly strong and this signal response compared to a stored state can also be examined in a favorable manner with regard to a wear-related or operating state-related change in the natural frequencies.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einleitung der mechanischen Schwingungen mit wenigstens einer Frequenz durchgeführt wird, die einen vorgebbaren Mindestabstand zu Frequenzen aufweist, die im Betrieb des Ventils auftreten. Hierdurch wird zumindest weitgehend vermieden, dass sich die Frequenzen, die im Betrieb des Ventils auftreten, mit den Frequenzen der mechanischen Schwingungen zur Erfassung des Ventilzustandes überlagern und zu unerwünschten Messfehlern führen. Ferner kann durch geeignetes Festlegen des Mindestabstands der Frequenzen zueinander der Einfluss von Störungen, beispielsweise Signalrauschen, reduziert werden.In a development of the invention, it is provided that the introduction of the mechanical vibrations is carried out with at least one frequency which has a predeterminable minimum distance to frequencies which occur during operation of the valve. This at least largely avoids that the frequencies that occur during operation of the valve interfere with the frequencies of the mechanical vibrations for detecting the valve state and lead to undesirable measurement errors. Furthermore, by suitably setting the minimum distance of the frequencies from one another, the influence of disturbances, for example signal noise, can be reduced.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schwingungsmittel mechanische Schwingungen bezüglich einer Hauptachse eines Ventilglieds des Ventils in einer Axialrichtung und/oder einer Querrichtung einleiten. Dies ermöglicht eine einfache Anbringung der Schwingungsmittel am Ventil, bei dem insbesondere davon auszugehen ist, dass es eine aus einem Ventilgehäuse herausragende und mit dem Ventilglied, das im Ventilgehäuse beweglich aufgenommen ist, gekoppelte Stellstange aufweist. An der Stellstange wird ein Antriebskopf angebracht, der einerseits eine Schwenkbewegung oder eine Linearbewegung der Stellstange hervorrufen kann und andererseits die Schwingungen in die Stellstange einleitet und diese auch wieder aufnimmt.In a development of the invention, it is provided that the oscillation means initiate mechanical oscillations with respect to a main axis of a valve member of the valve in an axial direction and / or a transverse direction. This allows a simple attachment of the vibration means to the valve, which in particular is expected to be one protruding from a valve housing and the valve member, which in the valve housing is movably received, having coupled control rod. On the actuating rod, a drive head is mounted, which can cause a pivoting movement or a linear movement of the actuating rod on the one hand and on the other hand initiates the vibrations in the control rod and this also receives again.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Vergleich einer Verhältnisgröße, die aus einer Systemantwortgröße und einer vorab aus einem Anregungssignal erzeugten Anregungsgröße gebildet wird, mit einer in der Verarbeitungseinrichtung abgelegten Referenzverhältnisgröße zur Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Sensorsignalspektrum und dem jeweiligen Referenzsignalspektren erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass der Vergleich in der Verarbeitungseinrichtung auf den Vergleich von Verhältnisgrößen beschränkt ist, die beispielsweise als einfache reelle Zahl vorliegen. Dadurch ist der Vergleich in der Verarbeitungseinrichtung schneller als ein Vergleich eines Sensorsignalspektrums mit einem Referenzsignalspektrum, so dass das Verfahren in relativ kurzer Zeit eine Änderung des Verschleißzustandes erfassen und ausgeben kann.In a further development of the invention, it is provided that a comparison of a ratio variable, which is formed from a system response variable and an excitation variable generated in advance from an excitation signal, takes place with a reference ratio variable stored in the processing device for determining deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra. This has the advantage that the comparison in the processing device is limited to the comparison of ratio sizes which are present, for example, as a simple real number. As a result, the comparison in the processing device is faster than a comparison of a sensor signal spectrum with a reference signal spectrum, so that the method can detect and output a change in the state of wear in a relatively short time.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung in einem Einlernprozess an das Ventil und an ein durch das Ventil strömendes Medium angepasst wird, um Referenzsignalspektren, fluidabhängige Prozessparameter und ventilabhängige Ventilparameter bei vorgegebenen Ventilbetriebszuständen und Ventilverschleißzutänden des Ventils zu ermitteln und in der Verarbeitungseinrichtung zu hinterlegen.In a development of the invention, it is provided that the processing device is adapted in a teach-in process to the valve and to a medium flowing through the valve to determine reference signal spectra, fluid-dependent process parameters and valve-dependent valve parameters at predetermined valve operating conditions and Ventilverschleißzutänden the valve and in the processing device deposit.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ermittelten Abweichungen zwischen einem Sensorsignalspektrum eines Ventils und einem Referenzsignalspektrum, zur Kategorisierung von Fehlerursachen am Ventil genutzt werden. Hierzu werden Referenzsignalspektren von einem Ventil im Neuzustand und Referenzsignalspektren von dem gleichen Ventil in Zuständen mit unterschiedlichen Beschädigungen oder Verschleißerscheinungen ermittelt und abgespeichert. Hierdurch wird erreicht, dass Referenzsignalspektren einer Kategorie von vorgegebenen Fehlern zugeordnet werden kann, wenn eine ausreichende Anzahl von Referenzsignalspektren ermittelt und abgespeichert ist. Vorzugsweise erlaubt dies eine Beurteilung jedes ermittelten Sensorsignalspektrums, so dass jede ermittelte Abweichung einem im Betrieb des Ventils auftretenden Schaden oder Verschleiß zugeordnet werden kann.In a development of the invention, it is provided that the deviations determined between a sensor signal spectrum of a valve and a reference signal spectrum are used to categorize fault causes at the valve. For this purpose, reference signal spectra of a valve in the new state and reference signal spectra of the same valve in states with different damage or signs of wear are determined and stored. This ensures that reference signal spectra can be assigned to a category of predefined errors if a sufficient number of reference signal spectra is determined and stored. Preferably, this allows an assessment of each detected sensor signal spectrum, so that each detected deviation can be assigned to a damage or wear occurring during operation of the valve.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schwingungsmittel mechanische Schwingungen kontinuierlich in das Ventil einleiten, so dass das Verfahren zur Erfassung des Ventilzustands dauerhaft ausgeführt wird. Hierdurch kann eine kontinuierliche Überwachung des Ventils erreicht werden.In a development of the invention, it is provided that the vibration means continuously introduce mechanical vibrations into the valve, so that the method for detecting the valve state is carried out permanently. As a result, a continuous monitoring of the valve can be achieved.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jedem Ventilzustandsmerkmal mindestens eine ermittelte physikalische Größe eines Ventilbetriebszustandes und Ventilverschleißzustandes zugeordnet ist.In a development of the invention, it is provided that at least one determined physical variable of a valve operating state and valve wear state is assigned to each valve state feature.

Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Antriebskopf, der zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2 ausgebildet ist, mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Der Antriebskopf ist zur Ansteuerung eines Ventils vorgesehen und weist eine Antriebseinrichtung, die für eine Bereitstellung einer Stellbewegung an ein Ventil ausgebildet ist, auf. Weiterhin verfügt der Antriebskopf über Schwingungsmittel, die zur Ermittlung von mechanischen Schwingungen von dem Ventil ausgebildet sind, und über eine Verarbeitungseinrichtung.The object is further achieved with a drive head, which is designed for carrying out the method according to claim 1 or 2, with the features according to claim 10. The drive head is provided for driving a valve and has a drive device, which is designed for providing an actuating movement to a valve on. Furthermore, the drive head has vibration means, which are designed to detect mechanical vibrations of the valve, and a processing device.

Die Aufgabe wird auch mit einem Antriebskopf, der zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9 ausgebildet ist, mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst. Der Antriebskopf zur Ansteuerung eines Ventils verfügt über eine Antriebseinrichtung, die für eine Bereitstellung einer Stellbewegung an ein Ventil ausgebildet ist und über eine Verarbeitungseinrichtung. Weiterhin verfügt der Antriebskopf über Schwingungsmittel, die sowohl zur Ermittlung als auch zur Einleitung von mechanischen Schwingungen in das Ventil ausgebildet sind.The object is also achieved with a drive head, which is designed to carry out the method according to one of claims 3 to 9, having the features according to claim 11. The drive head for controlling a valve has a drive device which is designed to provide an actuating movement to a valve and a processing device. Furthermore, the drive head has vibration means, which are designed both for the determination and for the introduction of mechanical vibrations in the valve.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 einen Antriebskopf zur Erfassung eines Ventilzustands und ein Sitzventil,
2 einen Antriebskopf zur Erfassung eines Ventilzustands und ein Scheibenventil.

Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail below. In the drawing show:

1 a drive head for detecting a valve state and a seat valve,
2 a drive head for detecting a valve state and a disk valve.

In der 1 ist ein Antriebskopf 10 und ein daran angeordnetes Ventil 60 dargestellt, das rein exemplarisch als Sitzventil ausgebildet ist. Das vorliegende Ventil 60 ist beispielsweise in eine nicht dargestellte Prozessanlage eingebunden und dient zur Beeinflussung eines nicht näher dargestellten Fluidstroms durch Veränderung einer Stellung eines Ventilglieds 64.In the 1 is a drive head 10 and a valve disposed thereon 60 shown, which is designed purely by way of example as a seat valve. The present valve 60 For example, it is integrated in a process installation, not shown, and serves to influence a fluid flow, not shown, by changing a position of a valve member 64 ,

Der Antriebskopf 10 umfasst eine nur schematisch dargestellte Antriebseinrichtung 40, die eine durch einen Doppelpfeil 67 angedeutete Arbeitsbewegung eines Ventilglieds 64 hervorrufen kann. Exemplarisch stellt die Antriebseinrichtung 40 eine lineare Arbeitsbewegung 67 bereit. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Antriebseinrichtung auch eine rotatorische Arbeitsbewegung oder eine Überlagerung von rotatorischen und translatorischen Bewegungsanteilen als Arbeitsbewegungen bereitstellen.The drive head 10 includes a drive device shown only schematically 40 one by a double arrow 67 indicated working movement of a valve member 64 can cause. Exemplary represents the drive device 40 a linear work movement 67 ready. In one embodiment, not shown, the drive device can also be a rotary working movement or provide a superposition of rotational and translational motion components as working movements.

Beispielsweise handelt es sich bei der Antriebseinrichtung 40 um einen elektrischen Linearsteller, der das in einer elastischen Buchse 71, die einem Ventilgehäuse 72 zugehörig ist, geführte Ventilglied 64 zwischen einer einen Ventilsitz 66 abdichtenden Geschlossenstellung und einer Offenstellung hin und her bewegt. Die elastische Buchse 71 gewährleistet sowohl eine Abdichtung als auch eine Schwingungsentkopplung zwischen dem Ventilglied 64 und dem Ventilgehäuse 72.For example, it is the drive device 40 around an electric linear actuator, that in an elastic socket 71 that is a valve body 72 is associated, guided valve member 64 between a valve seat 66 sealing closed position and an open position moved back and forth. The elastic bush 71 ensures both a seal and a vibration isolation between the valve member 64 and the valve housing 72 ,

Das Ventilglied 64 verfügt an einer Stirnseite über ein Dichtmittel 65, mit dem es in einer nicht dargestellten Schließstellung abdichtend am Ventilsitz 66 anliegt, um eine durch Pfeile 63 angedeutete Fluidströmung durch das Ventil 60 hindurch zu unterbrechen.The valve member 64 has a sealant on one end face 65 with which it in a closed position, not shown sealing the valve seat 66 abuts one by arrows 63 indicated fluid flow through the valve 60 through.

In der 1 ist eine Offenstellung des Ventilglieds 64 illustriert. In der Offenstellung strömt Fluid in Richtung der durch Pfeile 63 angedeuteten Strömungsrichtung von einem Primärkanal 61 durch den Ventilsitz 66 zu einem Sekundärkanal 62. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um ein Gas, insbesondere Druckluft, oder eine Flüssigkeit. Beim Durchtritt durch den Ventilsitz 66 erzeugt das durch den Primärkanal 61 und den Sekundärkanal 62 des Ventils 60 strömende Fluid mechanische Schwingungen 70, die auf das Ventilglied 64 einwirken und von Schwingungsmitteln 20 detektiert werden können, wobei die Schwingungsmittel 20 die mechanischen Schwingungen in elektrische Sensorsignale wandeln, die an eine Verarbeitungseinrichtung 30 bereitgestellt werden.In the 1 is an open position of the valve member 64 illustrated. In the open position, fluid flows in the direction of the arrows 63 indicated flow direction of a primary channel 61 through the valve seat 66 to a secondary channel 62. The fluid is, for example, a gas, in particular compressed air, or a liquid. When passing through the valve seat 66 creates that through the primary channel 61 and the secondary channel 62 of the valve 60 flowing fluid mechanical vibrations 70 on the valve member 64 interact and vibrational 20 can be detected, wherein the vibration means 20 convert the mechanical vibrations into electrical sensor signals which are sent to a processing device 30 to be provided.

Die Sensorsignale der Schwingungsmittel 20 werden in der Verarbeitungseinrichtung 30 des Antriebskopfes 10 ausgewertet, um Ventilzustandsmerkmale zu ermitteln. In einem nachfolgenden Schritt werden die ermittelten Ventilzustandsmerkmale an einer Ausgabeschnittstelle 50 ausgegeben, so dass eine Beurteilung des Ventils 60 hinsichtlich möglicher Verschleißerscheinungen und Beschädigungen erfolgen kann, insbesondere um Rückschlüsse auf mögliche Leckagen am Ventil 60 ziehen zu können.The sensor signals of the vibrating means 20 be in the processing facility 30 of the drive head 10 evaluated to determine valve status characteristics. In a subsequent step, the determined valve state characteristics become an output interface 50 issued, leaving an assessment of the valve 60 with regard to possible signs of wear and damage, in particular to draw conclusions about possible leaks on the valve 60 to be able to pull.

Der Antriebskopf 10 verfügt vorzugsweise über in der 1 nicht illustrierte Befestigungsmittel, über die er am Ventil 60 befestigt werden kann, so dass der Antriebskopf 10 mit dem Ventil 60 eine zusammenhängende Baugruppe bildet. Am Antriebskopf 10 können neben den oben genannten Einrichtungen weitere Einrichtungen angeordnet sein, bei denen es sich beispielsweise um Messeinrichtungen zur Erfassung von Ventilprozessparametern handelt.The drive head 10 preferably has in the 1 not illustrated fasteners, over which it is attached to the valve 60 can be fastened so that the drive head 10 with the valve 60 forms a coherent assembly. At the drive head 10 In addition to the above-mentioned devices, further devices can be arranged, which are, for example, measuring devices for detecting valve process parameters.

Bei den im Antriebskopf 10 angeordneten Schwingungsmitteln 20 handelt es sich beispielhaft um passive Schwingungswandler, die zur Erfassung von mechanischen Schwingungen dienen, jedoch keine Schwingungen hervorrufen können. Die mechanischen Schwingungen werden vielmehr im Inneren des Ventils 60 durch strömende Fluide hervorgerufen. Exemplarisch handelt es sich bei den Schwingungsmitteln 20 um mindestens einen piezobasierten Ultraschallwandler, der zur Erfassung von mechanischen Schwingungen, vorzugsweise mit Frequenzen im Ultraschallbereich, und zur Bereitstellung des zu den mechanischen Schwingungen korrelierenden elektrischen Sensorsignals ausgebildet ist. Es ist auch möglich, dass die Schwingungsmittel 20 als Mikrofone ausgebildet sind.In the drive head 10 arranged vibration means 20 By way of example, these are passive vibration transducers which serve to detect mechanical vibrations but can not cause vibrations. The mechanical vibrations are rather inside the valve 60 caused by flowing fluids. By way of example, the vibration means 20 at least one piezo-based ultrasonic transducer, which is designed to detect mechanical vibrations, preferably with frequencies in the ultrasonic range, and to provide the correlating to the mechanical vibrations electrical sensor signal. It is also possible that the vibration means 20 are formed as microphones.

In der 1 ist exemplarisch ein einziges Schwingungsmittel 20 dargestellt, das unmittelbar an das Ventilglied 64 angekoppelt ist. Alternativ können mehrere Schwingungsmittel 20 vorgesehen sein, wenn beispielsweise zu Korrekturzwecken die mechanischen Schwingungen an unterschiedlichen Stellen des Ventils 60 erfasst werden sollen.In the 1 is an example of a single vibration means 20 shown, which directly to the valve member 64 is coupled. Alternatively, several vibration means 20 provided, for example, for corrective purposes, the mechanical vibrations at different points of the valve 60 should be recorded.

Die Antriebseinrichtung 40 ist über eine mechanische Entkopplungsvorrichtung 73 mit dem Ventilglied 64 verbunden, so dass mechanische Schwingungen der Antriebseinrichtung 40 nicht oder nur in geringem Maße auf das Ventilglied 64 und die Schwingungsmittel 20übertragen werden. Beispielhaft umfasst die Entkopplungsvorrichtung 73 ein nicht näher dargestelltes, insbesondere gummielastisch ausgebildetes, Dämpfungsmittel, das eine Kraftübertragung von der Antriebseinrichtung 40 auf das Ventilglied 64 ermöglicht, jedoch die Übertragung von Schwingungen von der Antriebseinrichtung 40 auf das Ventilglied 64 zumindest weitgehend verhindert. Auf diese Weise kann eine Beeinflussung der Schwingungsmittel 20 durch Schwingungen der Antriebseinrichtung 40 zumindest weitgehend verhindert werden.The drive device 40 is via a mechanical decoupling device 73 with the valve member 64 connected, so that mechanical vibrations of the drive device 40 not or only slightly on the valve member 64 and the vibrating means 20 are transmitted. By way of example, the decoupling device comprises 73 a non-illustrated, in particular rubber-elastic trained, damping means, the power transmission from the drive means 40 on the valve member 64 allows, however, the transmission of vibrations from the drive device 40 on the valve member 64 at least largely prevented. In this way, an influence of the vibration means 20 by vibrations of the drive device 40 be at least largely prevented.

Die Verarbeitungseinrichtung 30 verarbeitet vorzugsweise die von den Schwingungsmitteln 20 bereitgestellten Sensorsignale. Hierzu verfügt die Verarbeitungseinrichtung 30 exemplarisch über einen Mikrochip oder ein ähnliches Rechenwerk, mit dem die bereitgestellten Sensorsignale der Schwingungsmittel 20 in ein Sensorsignalspektrum umgeformt werden. Das Sensorsignalspektrum stellt insbesondere einen Zusammenhang zwischen einer normierten Amplitudenstärke des Sensorsignals und dessen Zusammensetzung aus verschiedenen Frequenzen in einem betrachteten Frequenzbereich dar. Mit der Hilfe des Sensorsignalspektrums sind beispielsweise am Ventil auftretende Eigenfrequenzen messbar.The processing device 30 preferably processes those of the vibrating means 20 provided sensor signals. For this purpose, the processing device has 30 exemplarily via a microchip or a similar arithmetic unit, with which the provided sensor signals of the vibration means 20 be transformed into a sensor signal spectrum. In particular, the sensor signal spectrum represents a relationship between a normalized amplitude strength of the sensor signal and its composition from different frequencies in a considered frequency range. With the aid of the sensor signal spectrum, for example, natural frequencies occurring at the valve can be measured.

In der Verarbeitungseinrichtung 30 sind Referenzsignalspektren gespeichert, die für einen Vergleich mit den bereitgestellten Sensorsignalspektren in der Verarbeitungseinrichtung 30 verwendet werden, um eine Abweichung zwischen dem Sensorsignalspektrum und den gespeicherten Referenzsignalspektren zu ermitteln. Bei den gespeicherten Referenzsignalspektren handelt es sich beispielhaft in gleicher Weise wie bei den Sensorsignalspektren um normierte Amplitudenbeträge über einem jeweiligen Frequenzbereich. Die Referenzsignalspektren werden vorzugsweise vor einer Inbetriebnahme des Ventils 60 bei verschiedenen Ventilzuständen ermittelt und in der Verarbeitungseinrichtung 30 gespeichert. Exemplarisch wird eine erste Reihe von Referenzsignalspektren bei einem definierten ersten Verschleißzustand am Ventil 60 und unterschiedlichen Stellungen des Ventils 60 ermittelt, beispielsweise einer Geschlossenstellung und verschiedenen Offenstellungen des Ventils 60. In the processing facility 30 Reference signal spectra are stored, which are used for comparison with the provided sensor signal spectra in the processing device 30 to determine a deviation between the sensor signal spectrum and the stored reference signal spectra. By way of example, the stored reference signal spectra are in the same way as in the sensor signal spectra normalized amplitude amounts over a respective frequency range. The reference signal spectra are preferably before a start-up of the valve 60 determined at different valve states and in the processing device 30 saved. As an example, a first series of reference signal spectra at a defined first state of wear on the valve 60 and different positions of the valve 60 determined, for example, a closed position and various open positions of the valve 60 ,

Eine zweite Reihe von Referenzsignalspektren wird anschließend bei einem definierten zweiten Verschleißzustand, bei den gleichen Stellungen des Ventils 60 ermittelt. Für weitere Reihen von Referenzsignalspektren können verschiedene Verschleißzustände betrachtet werden. Hierdurch wird erreicht, dass eine möglichst große Zahl von möglichen Verschließzuständen oder Beschädigungen am Ventil 60 bekannt und durch das beschriebene Verfahren erfassbar sind.A second series of reference signal spectra then becomes at a defined second state of wear, at the same positions of the valve 60 determined. For different series of reference signal spectra, different wear conditions can be considered. This ensures that the largest possible number of possible Verschließzuständen or damage to the valve 60 known and detectable by the method described.

Der Vergleich zwischen dem Sensorsignalspektrum und den gespeicherten Referenzsignalspektren wird schrittweise durchgeführt. Hierzu wird das Sensorsignalspektrum nach und nach jedem gespeicherten Referenzsignalspektrum gegenübergestellt und eine Abweichung zwischen dem Sensorsignalspektrum und dem jeweiligen Referenzsignalspektrum ermittelt. Die jeweils ermittelte Abweichung wird vorzugsweise in einer Tabelle in der Verarbeitungseinrichtung 30 zwischengespeichert, so dass nach Durchführung aller Vergleiche zwischen dem Sensorsignalspektrum und allen gespeicherten Referenzsignalspektren durch eine Auswertung der Tabelle in der Verarbeitungseinrichtung 30 ermittelt werden kann, welches Referenzsignalspektrum beispielsweise die geringste Abweichung gegenüber dem Sensorsignalspektrum aufweist.The comparison between the sensor signal spectrum and the stored reference signal spectra is performed stepwise. For this purpose, the sensor signal spectrum is gradually compared with each stored reference signal spectrum and a deviation between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectrum is determined. The respectively determined deviation is preferably in a table in the processing device 30 cached, so that after performing all comparisons between the sensor signal spectrum and all stored reference signal spectra by an evaluation of the table in the processing device 30 it can be determined which reference signal spectrum has, for example, the smallest deviation from the sensor signal spectrum.

In einem nachfolgenden Schritt werden Ventilzustandsmerkmale ausgegeben, die demjenigen Referenzsignalspektren zugeordnet sind, dessen ermittelte Abweichung gegenüber dem Sensorsignalspektrum innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegen, insbesondere die geringste Abweichung gegenüber dem Sensorsignalspektrum hat. Anschließen werden die Ventilzustandsmerkmale, die diesem Referenzsignalspektrum zugeordnet sind, über die mit der Verarbeitungseinrichtung 30 in Verbindung stehende Ausgabeschnittstelle 50 ausgeben.In a subsequent step, valve state characteristics are output which are assigned to those reference signal spectra whose determined deviation from the sensor signal spectrum lies within a predetermined tolerance band, in particular has the smallest deviation from the sensor signal spectrum. Then, the valve state characteristics associated with this reference signal spectrum are communicated with the processing device 30 related output interface 50 output.

Das durch das Ventil 60 strömende Fluid beansprucht das Ventil 60, das Ventilglied 64 und das daran stirnseitig angeordnete Dichtmittel 65, so dass es zu Verschleißerscheinungen beziehungsweise zu Beschädigungen kommt. Verschleißerscheinungen beziehungsweise Beschädigungen am Ventil 60 führen zu einer Leckage, so dass die Dichtigkeit des Ventils 60 nicht mehr gewährleistet ist. Bei Vorliegen einer Leckage strömt Fluid trotz einer angestrebten Geschlossenstellung für das Ventilglied 64 vom Primärkanal 61 zum Sekundärkanal 62, wobei mechanische Schwingungen erzeugt werden, die wiederum von den Schwingungsmitteln 20 erfasst werden können.That through the valve 60 flowing fluid takes up the valve 60 , the valve member 64 and the end-side arranged sealant 65 , so that it comes to signs of wear or damage. Wear and tear or damage to the valve 60 lead to leakage, causing the tightness of the valve 60 is no longer guaranteed. In the presence of a leak fluid flows despite a desired closed position for the valve member 64 from the primary channel 61 to the secondary channel 62 , wherein mechanical vibrations are generated, in turn, from the vibration means 20 can be detected.

Die mechanischen Schwingungen weisen vorzugsweise Frequenzen im Bereich von wenigen Hertz bis hin zu Frequenzen im Ultraschallbereich auf.The mechanical vibrations preferably have frequencies in the range of a few hertz up to frequencies in the ultrasonic range.

In der 2 ist eine Variante eines Antriebskopfs 110 zur Erfassung eines Ventilzustands und zur Ansteuerung eines Ventils 160 dargestellt. Bei dem Ventil 160 handelt es sich exemplarisch um ein Scheibenventil, wobei das Verfahren zur Erfassung eines Ventilzustandes nicht auf Scheibenventile limitiert ist. Das Ventil 160 ist beispielweise in eine automatisierte Prozessanlage eingebunden, um beispielsweise Fluid- oder Schüttgutströmungen zu steuern. Der Antriebskopf 110 ist an dem Ventil 160 angeordnet und verfügt über aktive Schwingungsmittel 120, die mit einer im Antriebskopf 110 angeordneten Verarbeitungseinrichtung 130 verbunden sind. Die Verarbeitungseinrichtung 130 steht mit einer Ausgabeschnittstelle 150 und einer Antriebseinrichtung 140 des Antriebskopfes 110 in Verbindung.In the 2 is a variant of a drive head 110 for detecting a valve state and for controlling a valve 160 shown. At the valve 160 By way of example, this is a disk valve, wherein the method for detecting a valve state is not limited to disk valves. The valve 160 For example, it is integrated in an automated process plant to control, for example, fluid or bulk material flows. The drive head 110 is on the valve 160 arranged and has active vibration means 120 that with one in the drive head 110 arranged processing device 130 are connected. The processing device 130 is connected to an output interface 150 and a drive device 140 of the drive head 110 in connection.

Das exemplarisch als Scheibenventil dargestellte Ventil 160 ist von einem Fluid, bei dem es sich beispielsweise um Druckluft oder eine hydraulische Flüssigkeit oder um Schüttgut handelt, in Richtung einer durch Pfeile 163 angedeuteten Strömungsrichtung durchströmbar. Das Ventil 160 verfügt über eine Sperrscheibe 167, die durch eine von der Antriebseinrichtung 140 bereitgestellte durch einen Doppelpfeil 166 angedeutete rotatorische Arbeitsbewegung über ein Ventilglied 164 des Ventils 160 zwischen einer Geschlossenstellung und mindestens einer Offenstellung hin und her verschwenkbar ist. In der Offenstellung kann ein Fluid durch das Ventil 160 von einem eingangsseitig angeordneten Primärkanal 161 des Ventils 160 zu einem ausgangsseitig angeordneten Sekundärkanal 162 des Ventils 160 strömen. In der Geschlossenstellung ist die Sperrscheibe 167 des Ventils 160 quer zur Strömungsrichtung 163 angeordnet und liegt dichtend an einem im Ventil 160 angeordneten, nur rein schematisch dargestellten, Dichtmittel 165 an, so dass ein Fluiddurchtritt vom Primärkanal 161 zum Sekundärkanal 162 verhindert wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Ventilglied 164 schwenkbeweglich abdichtend in einer elastischen Buchse 171 am Ventilgehäuse 172 aufgenommen ist, wobei die elastische Buchse 171 eine zumindest weitgehende Schwingungsentkopplung zwischen dem Ventilglied 164 und dem Ventilgehäuse 172 bewirken soll.The exemplary valve shown as a disc valve 160 is of a fluid, which is for example, compressed air or a hydraulic fluid or bulk material, in the direction of one by arrows 163 indicated flow direction can be flowed through. The valve 160 has a locking disc 167 passing through one of the drive means 140 provided by a double arrow 166 indicated rotary working movement via a valve member 164 of the valve 160 is pivotable back and forth between a closed position and at least one open position. In the open position, a fluid can pass through the valve 160 from a primary channel arranged on the input side 161 of the valve 160 to a secondary channel arranged on the output side 162 of the valve 160 stream. In the closed position is the locking disc 167 of the valve 160 transverse to the flow direction 163 arranged and sealingly arranged on a valve 160, only shown purely schematically, sealant 165 on, so that a fluid passage from the primary channel 161 to the secondary channel 162 is prevented. It is preferably provided that the valve member 164 pivotally sealing in an elastic bushing 171 on the valve body 172 is absorbed, the elastic bush 171 an at least substantial vibration decoupling between the valve member 164 and the valve housing 172 should cause.

Im Laufe des Betriebs des Ventils 160 können an der Sperrscheibe 167 Verschleißerscheinungen und/oder Beschädigungen auftreten, die zu einer Undichtigkeit des Ventils 160 führen, so dass ein Fluiddurchtritt vom Primärkanal 161 zum Sekundärkanal 162 erfolgen kann.During the operation of the valve 160 can at the locking disc 167 Wear and / or damage may occur, leading to a leakage of the valve 160 lead, allowing a fluid passage from the primary channel 161 to the secondary channel 162 can be done.

Im Antriebskopf 110 ist eine Antriebseinrichtung 140 angeordnet, die die rotatorische Arbeitsbewegung 166, die zur Betätigung des Ventils 160 dient, über das Ventilglied 164 bereitstellt. Exemplarisch handelt es sich bei der Antriebseinrichtung 140 um einen Schrittmotor, der die rotatorische Arbeitsbewegung 166 bereitstellt. Bei der Antriebseinrichtung 140 kann es sich alternativ auch um einen pneumatischen oder elektrischen Schwenkantrieb handeln.In the drive head 110 is a drive device 140 arranged the the rotary working movement 166 for actuating the valve 160 serves, over the valve member 164 provides. By way of example, the drive device 140 is a stepping motor which controls the rotary working movement 166 provides. In the drive device 140 Alternatively, it may also be a pneumatic or electric rotary actuator.

Die Antriebseinrichtung 140 umfasst die aktiven Schwingungsmittel 120, beispielsweise piezobasierte Ultraschallwandler, die mechanische Schwingungen im Ultraschallbereich abgeben und empfangen können. Die Schwingungsmittel 120 sind dazu ausgebildet, Schwingungen auf das Ventilglied 164 einzukoppeln und eine Schwingungsantwort des Ventilglieds 164 zu ermitteln und als elektrisches Sensorsignal an die Verarbeitungseinrichtung 140 bereitzustellen.The drive device 140 includes the active vibrational means 120 , For example, piezo-based ultrasonic transducers that can deliver and receive mechanical vibrations in the ultrasonic range. The vibrating means 120 are adapted to vibrations on the valve member 164 couple and a vibration response of the valve member 164 to determine and as an electrical sensor signal to the processing device 140 provide.

Die an die Verarbeitungseinrichtung 130 bereitgestellten Sensorsignale werden in der Verarbeitungseinrichtung 130 zu Sensorsignalspektren umgeformt. In der Verarbeitungseinrichtung 130 wird dann das jeweils aktuell ermittelte Sensorsignalspektrum mit in der Verarbeitungseinrichtung 130 gespeicherten Referenzsignalspektren verglichen, wobei Abweichungen zwischen dem Sensorsignalspektrum und jedem gespeicherten Referenzsignalspektrum ermittelt und in der Verarbeitungseinrichtung 130 zwischengespeichert werden, um dasjenige Referenzsignalspektrum ermitteln zu können, das eine vorgebbare Abweichung gegenüber dem Sensorsignalspektrum aufweist, insbesondere innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbands um das Sensorsignalspektrum liegt.The to the processing device 130 provided sensor signals are in the processing device 130 transformed into sensor signal spectra. In the processing device 130, the respective currently determined sensor signal spectrum is then included in the processing device 130 stored stored reference signal spectra, wherein deviations between the sensor signal spectrum and each stored reference signal spectrum determined and in the processing means 130 be stored temporarily in order to be able to determine that reference signal spectrum which has a predefinable deviation with respect to the sensor signal spectrum, in particular lies within a predefinable tolerance band around the sensor signal spectrum.

Jedem gespeicherten Referenzsignalspektrum ist mindestens ein Ventilzustandsmerkmal zugeordnet, das nach Ermittlung desjenigen Referenzsignalspektrums, das innerhalb des Toleranzbands um das Sensorsignalspektrum liegt, an die Ausgabeschnittstelle 150 ausgegeben werden kann, um zu einer Diagnose des Ventils 160 verwendet zu werden.Each stored reference signal spectrum is associated with at least one valve state feature that can be output to the output interface 150 upon detection of the reference signal spectrum that is within the tolerance band around the sensor signal spectrum, to diagnose the valve 160 to be used.

Dadurch, dass die Schwingungsmittel 120 beispielhaft als piezobasierte Schallwandler ausgestaltet sind, können mechanische Schwingungen, deren Frequenzen rein exemplarisch im Ultraschallbereich liegen, in das Ventil 160 eingeleitet werden, so dass die Frequenzen der eingeleiteten mechanischen Schwingungen einen deutlichen Abstand zu den im Betrieb des Ventils aufgrund des Fluidstroms auftretenden Frequenzen aufweisen. Hierdurch wird eine trennscharfe messtechnische Erfassung der vom Ventilglied 164 als Signalantwort auf die eingekoppelten Schwingungen auftretenden mechanischen Schwingungen mit den Schwingungsmitteln 120 erreicht, von denen die Frequenzen der im Betrieb des Ventils 160 aufgrund der Fluidströmung auftretenden mechanischen Schwingungen zuverlässig unterschieden werden können.In that the vibrating means 120 example, as a piezo-based sound transducer are designed, mechanical vibrations whose frequencies are purely exemplary in the ultrasonic range, in the valve 160 be introduced so that the frequencies of the introduced mechanical vibrations have a significant distance from the frequencies occurring during operation of the valve due to the fluid flow. As a result, a selective measurement detection of the valve member 164 as a signal response to the coupled vibrations occurring mechanical vibrations with the vibration means 120 reached, of which the frequencies of the operation of the valve 160 due to the fluid flow occurring mechanical vibrations can be reliably distinguished.

Die in der 2 dargestellten Schwingungsmittel 120 sind exemplarisch an einer Stirnseite des Ventilglieds 164 angeordnet, so dass die Einleitung von mechanischen Schwingungen mit den Schwingungsmitteln 120 in Richtung einer Hauptachse des Ventilglieds 164 in einer Axialrichtung erfolgt.The in the 2 illustrated vibration means 120 are exemplary on an end face of the valve member 164 arranged so that the initiation of mechanical vibrations with the vibrational means 120 in the direction of a major axis of the valve member 164 takes place in an axial direction.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schwingungsmittel 120 derart an dem Ventilglied 164 angeordnet, dass die mechanischen Schwingungen bezüglich der Hauptachse des Ventilglieds 164 in einer Querrichtung relativ zur Hauptachse eingeleitet werden. In der 2 ist eine solche Anordnung der Schwingungsmittel 120 durch ein gestrichelt angedeutetes Schwingungsmittel 120 illustriert.Alternatively, it may be provided that the vibration means 120 on the valve member 164 arranged that the mechanical vibrations with respect to the main axis of the valve member 164 be introduced in a transverse direction relative to the main axis. In the 2 is such an arrangement of the vibrating means 120 by a dashed line indicated vibration means 120 illustrated.

Claims

Method for detecting a valve state, comprising the steps of: detecting mechanical oscillations (70) of a valve (60, 160) with oscillation means (20, 120) and providing a sensor signal dependent on the mechanical oscillations (70) to a processing device (30, 130) ; Transforming the sensor signal into a sensor signal spectrum; Comparing the sensor signal spectrum with stored reference signal spectra and determining deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra, outputting valve state characteristics associated with those reference signal spectra whose detected deviation from the sensor signal spectrum is within a predeterminable tolerance band, said vibration means (20, 120) generating mechanical vibrations (20, 120). 70) into the valve (60, 160) and detect mechanical oscillations (70) from the valve (60, 160) and from the detected mechanical vibrations (70) provide dependent sensor signals to the processing means (30, 130).

Method according to Claim 1 , characterized in that an evaluation of phase angles and / or amplitudes of the sensor signal spectrum relative to the phase positions and / or the amplitudes of the respective reference signal spectrum for determining deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the vibration means (20, 120) introduce the mechanical vibrations (70) into a valve member (64, 164) of the valve (60, 160).

Method according to Claim 1 . 2 or 3 , characterized in that the of the vibration means (20, 120) introduced mechanical vibrations (70) from the following group come: Dirac single shock, continuous excitation, pulse excitation with predeterminable pulse-pause ratio, excitation with modulation of Excitation frequency and / or the excitation amplitude.

Method according to Claim 1 . 2 . 3 or 4 , characterized in that with the vibration means (20, 120) an excitation of the valve (60, 160) takes place with at least one predetermined natural frequency.

Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the introduction of the mechanical vibrations (70) is performed with at least one frequency having a predetermined minimum distance to frequencies that occur during operation of the valve (60, 160).

Method according to one of Claims 1 to 6 characterized in that the vibratory means (20, 120) introduce mechanical vibrations (70) with respect to a major axis of a valve member (64, 164) of the valve (60, 160) in an axial direction and / or a transverse direction.

Method according to one of Claims 1 to 7 Characterized in that a comparison of a ratio of size, which is formed from a system response size, and the excitation size pre-generated from an excitation signal stored with in the processing means (30, 130) reference ratio variable for determining deviations between the sensor signal spectrum and the respective reference signal spectra is carried out.

Method according to one of Claims 1 to 8th characterized in that the processing means (30, 130) is adapted in a teach-in process to the valve (60, 160) and to a medium flowing through the valve (60, 160) to generate reference signal spectra, fluid dependent process parameters and valve dependent valve parameters at predetermined valve operating conditions and valve wear conditions of the valve (60, 160) to be determined and stored in the processing device (30, 130).

A drive head for actuating a valve (60, 160), comprising a drive device (40, 140), which is designed to provide an actuating movement to a valve (60, 160), with oscillation means (20, 120) for determining and introducing mechanical Vibrations (70) in the valve (60, 160) and with a processing device (30, 130), for carrying out the method according to one of Claims 1 to 9 ,