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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Prozessventil mit Sensorfunktion. Dieses ermöglicht, die auf den Ventildrosselkörper wirkende Kraft zu bestimmen. Prozessventile finden in der Prozessindustrie Verwendung. Sie dienen insbesondere zur Drosselung von Strömen von Fluiden.
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Die Kenntnis der Kraft auf den Ventildrosselkörper eines Prozessventils ist für vielfältige Zwecke wünschenswert: bei geöffnetem Ventil kann so der Durchfluss ohne zusätzliche, aufwändige Technik bestimmt werden. Ist zudem die Kraft bekannt, die der Ventilantrieb ausübt (oder der Antriebsdruck bei pneumatischen oder hydraulischen Antrieben), können Verluste durch den Antrieb selbst bzw. durch Dichtungen bestimmt werden. Der Verlauf dieser Verluste über einen längeren Zeitraum ist von Interesse, weil daraus Rückschlüsse auf den Zustand des Ventils oder der Dichtungen möglich sind.
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Stand der Technik
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Dem Fachmann ist beispielsweise geläufig, bei Prozessventilen die Kraft auf den Drosselkörper mittels Wägezellen zwischen der Antriebsstange und der Ventilstange zu bestimmen. Nachteilig ist daran, dass die Reibung der Abdichtung zwischen der Ventilstange und dem Ventilgehäuse mit in die Kraftmessung eingeht. Reibungskräfte können somit nicht unabhängig bestimmt werden. Direkt am Drosselkörper befindliche Messsysteme sind zudem dem Prozessmedium ausgesetzt und müssen hohen Temperaturen und Verschleiß standhalten.
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Außerdem ist es bekannt, die Kraft zu bestimmen, die der Ventilantrieb ausübt. Reibungsverluste verfälschen hierbei jedoch ebenfalls das Ergebnis. Insbesondere ist es nicht möglich, diese Verluste in einfacher Weise zu bestimmen. Ist der Antrieb pneumatisch, hat diese Methode den zusätzlichen Nachteil, dass eventuelle schnelle Druckspitzen wegen der Kompressibilität der Luft nicht erfasst werden.
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Eine Vorrichtung, um die Kraft auf eine Ventilstange zu messen, ist in
EP 3 049 702 A1 offenbart. Diese wird zwischen Ventilstange und Antrieb montiert. Auch bei dieser Vorrichtung ist es unmöglich, Reibungsverluste in einfacher Weise zu berücksichtigen.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 036 711 A1 zeigt eine ähnliche Vorrichtung zur Kraftmessung. Diese wird allerdings zwischen Ventilstange und Drosselkörper montiert. An dieser Vorrichtung ist vor allem nachteilig, dass sich die empfindlichsten Teile im Inneren des Ventilgehäuses befinden, wo sie beispielsweise hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sein können.
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In der Druckschrift
DE 196 01 023 A1 ist ein Ventil offenbart, das einen Kolben aufweist, der innen hohl ist. Am vom Verschluss entfernten Ende des hohlen Innenraums des Kolbens befindet sich ein Piezo-Drucksensor, welcher den Druck des Fluids messen kann, wenn dieses im Inneren des Kolbens aufsteigt. Eine solche Ventilkonstruktion ist beispielsweise für aggressive Fluide oder solche mit sehr hohen oder niedrigen Temperaturen ungeeignet, da eine vollständige Abdichtung des Ventils schwierig ist und zudem der Sensor ungeschützt ist und mit dem Fluid in unmittelbaren Kontakt kommt.
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EP 3 084 381 A1 offenbart einen massiven „Sensorkörper“, auf dessen dem Fluid zugewandter Seite in der Mitte ein Bereich vorgesehen ist, in dem sich hinter einer Membran ein elektromechanischer Wandler zur Druckmessung befindet. Dieser Sensorkörper kann zur Montage an seinem äußeren Bereich eingespannt werden. Eine Verwendung als Drosselkörper in einem Prozessventil ist nicht vorgesehen.
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Ein Sicherheitsventil, welches durch einen Knickstift ausgelöst wird, ist in
US 6,155,284 offenbart. Dieses weist im Verschlusselement einen Druckmesskolben auf, der mittels einer Stange mit dem Knickstift verbunden ist, welcher bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks auslöst und das Verschlusselement freigibt, also das Ventil öffnet. Dies scheint ein irreversibler Vorgang zu sein. In einem Prozessventil macht eine solche Einrichtung also keinen Sinn. Zudem ist keine Messung im engeren Sinne vorgesehen, sondern lediglich das Feststellen des Überschreitens einer vorgegebenen Schwelle.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die das Bestimmen der Kraft auf den Drosselkörper eines Prozessventils ermöglichen und dabei die Nachteile des Standes der Technik vermeiden oder minimieren.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.
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Vorgeschlagen wird ein Prozessventil mit einem Ventilgehäuse, einem Ventilsitz, einem Drosselkörper, einer Ventilstange und einer auf diese wirkenden Antriebseinheit. Die Antriebseinheit drückt mittels der Ventilstange den Drosselkörper zum Schließen des Prozessventils in den Ventilsitz und zieht ihn zum Öffnen des Prozessventils aus dem Ventilsitz heraus. Erfindungsgemäß ist der Drosselkörper elastisch mit der Ventilstange verbunden. Ferner ist eine Übertragungsstange vorhanden, die starr mit dem Drosselkörper verbunden ist, sowie ein Signalgeber an der Übertragungsstange und ein Sensor an der Ventilstange. Die Übertragungsstange ist vorzugsweise parallel zur Ventilstange angeordnet. Der Sensor ist auf den Signalgeber abgestimmt, um die relative Verschiebung der Übertragungsstange gegenüber der Ventilstange quantitativ zu messen.
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Die Verbindung des Drosselkörpers mit der Ventilstange ist dabei so ausgelegt, dass sie stets im elastischen Bereich bleibt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die zu messende relative Verschiebung der Übertragungsstange gegenüber der Ventilstange proportional zur Kraft auf den Drosselkörper (bzw. auf die Verbindung des Drosselkörpers mit der Ventilstange) ist. Damit ist sie auch annähernd proportional zum Differenzdruck der Bereiche unterhalb und oberhalb des Drosselkörpers. Als Verbindung zwischen Drosselkörper und Ventilstange kann ein beliebiger Verformungskörper zum Einsatz kommen, sofern er sich definiert elastisch verformt.
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Ein so gestaltetes Prozessventil ermöglicht, den Druck auf den Drosselkörper im Druckraum aufzunehmen und den resultierenden Hub in einem geschützten Bereich außerhalb des Ventilgehäuses abzugreifen. Temperatur-, druck- und vibrationsempfindliche Teile wie z.B. präzise Sensoren oder eine Auswerteelektronik sind so vor negativen Einflüssen des fluiden Mediums geschützt. Dadurch, dass die Kraft direkt am Drosselkörper erfasst wird, wird eine Verfälschung der Messung durch Reibung, z.B. an Stopfbuchsen oder anderen Dichtungen, vermieden - es wird sogar möglich, die Kraftverluste durch solche Dichtungen zu bestimmen.
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Besonders günstig ist es, wenn die Ventilstange des Prozessventils hohl ist und die Übertragungsstange innerhalb der hohlen Ventilstange angeordnet ist. Dann ist zum einen die Messanordnung geschützt, und zum anderen ermöglicht diese Anordnung, Kraftverluste, die an der Dichtung am Durchgang der Ventilstange durch das Ventilgehäuse auftreten, zu bestimmen, da die Verlustkraft an der Ventilstange angreift, aber nicht auf die Übertragungsstange wirkt.
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Dadurch, dass die Verbindung zwischen Ventilstange und Drosselkörper einen gegenüber dem Medium, dessen Strömung durch das Prozessventil reguliert werden kann, dichten Innenraum aufweist, wird erreicht, dass insbesondere der Sensor vor dem möglicherweise aggressiven Medium geschützt ist. Dies kommt der Langlebigkeit des Sensors zugute bzw. ermöglicht erst die Verwendung empfindlicher Sensortypen.
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Bei einer besonders einfachen und robusten Ausführung des Prozessventils sind Ventilstange und Drosselkörper mittels eines Federelements elastisch verbunden.
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Eine besonders gute Abdichtung gegenüber dem Medium, dessen Strömung durch das Prozessventil reguliert werden kann, erhält man, wenn das Federelement ein Balg-Federelement ist. Dieses hat zusätzlich den Vorteil, dass die Abdichtung reibungsarm ist.
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Die Genauigkeit der Messung wird erhöht, wenn mindestens ein Führungselement in der Ventilstange angeordnet ist, wobei das Führungselement die Übertragungsstange im Inneren der Ventilstange dergestalt führt, dass die Übertragungsstange an einer Verkippung gehindert wird. Das Führungselement ist vorzugsweise kugelig oder ballig und extrem reibungsarm ausgeführt.
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Auf die Messgenauigkeit wirkt sich weiterhin günstig aus, wenn die maximale Verschiebung der Übertragungsstange gegenüber der Ventilstange ein Zehntel des maximalen Hubs der Ventilstange relativ zum Ventilgehäuse beträgt. Die maximale Verschiebung der Übertragungsstange gegenüber der Ventilstange beträgt bevorzugt 5 mm, besonders bevorzugt 1 mm, ganz besonders bevorzugt 0,2 mm.
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Zudem ist es vorteilhaft für die Genauigkeit der Messung, wenn der Sensor berührungslos arbeitet. Beispielsweise kann ein magnetoresistiver, Hall-, kapazitiver, induktiver oder potentiometrischer Sensor zum Einsatz kommen. Dadurch werden Verluste am Sensor selbst vermieden.
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Für den Fall, dass die Temperatur des Fluids von der Umgebungstemperatur verschieden ist, kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden, wenn das Prozessventil mindestens einen Temperaturfühler aufweist. Dann kann die Auswirkung der Temperaturunterschiede auf z.B. die Länge der Ventilstange und/oder der Übertragungsstange berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Temperaturfühler entweder innerhalb der Ventilstange oder an dem Federelement oder am oder innerhalb des Drosselkörpers angeordnet.
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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird des Weiteren ein Verfahren zum Messen einer Verlustkraft bei einem Prozessventil mit einem Aufbau, wie er weiter oben beschrieben wurde, vorgeschlagen, wobei die Ventilstange gegen das Ventilgehäuse mit einer Dichtung, z.B. einer Stopfbuchse mit einer Packung abgedichtet ist. Dabei ist die Kraft, mit der die Antriebseinheit auf die Ventilstange wirkt, vorgegeben. Folgende Schritte werden durchgeführt: Die elastische Kraft, die auf die elastische Verbindung zwischen Ventilstange und Drosselkörper wirkt, wird mit Hilfe des Sensors ermittelt, und die Differenz der Antriebskraft und der elastischen Kraft wird bestimmt und als Verlustkraft identifiziert.
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Bevorzugt wird die Verlustkraft in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt wie oben beschrieben gemessen. Aus einer Änderung der Verlustkraft mit der Zeit kann dann auf einen Verschleiß der Dichtung geschlossen werden. Dies ermöglicht beispielsweise, Wartungsmaßnahmen und ggf. -intervalle zu planen, um die Dichtung jeweils rechtzeitig auszutauschen, bevor es zu Undichtigkeiten kommt.
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Aus der relativen Verschiebung der Übertragungsstange gegenüber der Ventilstange und der vorgegebenen Position der auf die Ventilstange wirkenden Antriebseinheit lässt sich auch die absolute Position des Drosselkörpers bestimmen. Dies ermöglicht eine genauere Kenntnis des Öffnungszustandes des Prozessventils, also z.B. der momentanen Größe der Durchflussöffnung.
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Vorteilhafterweise wird aus der absoluten Position des Drosselkörpers und der Kraft, die auf die elastische Verbindung zwischen Ventilstange und Drosselkörper wirkt, der Durchfluss durch das Prozessventil bestimmt. Dabei wird ausgenutzt, dass die Kraft auf den Drosselkörper dem Druck des Fluids auf denselben proportional ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Prozessventil.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Prozessventil 100 mit einem Ventilgehäuse 105. Zwischen der Zuströmseite 110 und der Abströmseite 115 befindet sich ein Drosselkörper 120, der zum Drosseln der Strömung eines Fluids in den Ventilsitz 125 gepresst werden kann. Dazu dient die Ventilstange 130, an deren oberen Ende sich eine Kupplungsnut 135 befinden kann, die eine Ankoppelung jedes üblichen Ventilantriebs möglich macht (z.B. ein pneumatischer, elektrischer oder hydraulischer Antrieb). Die Durchführung der Ventilstange durch das Ventilgehäuse ist durch eine Stopfbuchse 140 abgedichtet. Alternativ sind auch andere Arten von Dichtungen möglich.
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Die Ventilstange 130 ist über ein elastisches Element, vorzugsweise ein Federelement, besonders bevorzugt ein Balgfederelement 145 mit dem Drosselkörper 120 verbunden. Diese Verbindung ist dicht, bevorzugt sogar hermetisch, ausgeführt. Die Dichtheit kann beispielsweise durch Verschweißen des Balgelementes mit Ventilstange und Drosselkörper erreicht werden.
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Die Ventilstange 130 ist vorzugsweise hohl. Vorzugsweise in ihrem Inneren befindet sich eine starr mit dem Drosselkörper 120 verbundene Übertragungsstange 150. An dieser Übertragungsstange 150, typischerweise an oder in der Nähe ihres oberen Endes, ist ein Signalgeber 155 angebracht. Dabei kann es sich z.B. um eine metallische Zahnstruktur oder einen Permanentmagneten handeln. Auf diesen Signalgeber 155 ist ein Sensor 160 abgestimmt, der in entsprechender Position starr an der Ventilstange 130 angebracht sein kann. Dieser Sensor erlaubt also eine genaue, vorzugsweise berührungslose Messung der Verschiebung der Übertragungsstange 150 (und damit des Drosselkörpers 120) relativ zu der Ventilstange 130. Eine solche Verschiebung ist wegen der elastischen Verbindung 145 proportional zur Kraft auf den Drosselkörper 120.
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Mindestens ein Führungselement 165 ist, typischerweise im oberen Bereich, an der Übertragungsstange 150 angebracht, um ein Verkippen dieser Übertragungsstange 150 gegenüber der Ventilstange 130 zu verhindern. Dieses Element ist besonders reibungsarm gestaltet. Es kann beispielsweise eine kugelige oder ballige Verdickung der Übertragungsstange 150 sein, die mit z.B. PTFE (Teflon), POM oder PEEK beschichtet ist, oder es kann sich um eine Bronze- oder Messingbuchse mit Graphitbeschichtung handeln (letzteres vor allem für Hochtemperaturanwendungen).
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Das Balgfederelement 145 besitzt eine definierte Federsteife und wird so ausgelegt, dass es stets im elastischen Bereich arbeitet. So findet eine Relativbewegung zwischen Drosselkörper 120 und Ventilstange 130 statt, welche über die Federsteife des Balgfederelementes 145 direkt proportional zum Druck am Drosselkörper 120 ist. Diese Relativbewegung wird im Inneren der Ventilstange 130 über eine Übertragungsstange 150 nach Draußen, d.h. aus dem Ventilgehäuse 105 heraus, übertragen. Hierzu ist die Übertragungsstange 150 an ihrem unteren Ende mit dem Drosselkörper 120 fest verbunden. Am oberen Ende der Übertragungsstange 150 befindet sich ein Sensorgeberelement 155. Der zugehörige Sensorchip 160 ist starr mit der Ventilstange 130 verbunden, so dass er die Relativbewegung berührungslos erfassen kann.
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Ein Führungselement 165 auf der Übertragungsstange 150 im Bereich zwischen Balgelement 145 und Gebermagnet 155 eliminiert radiale Bewegungen des Geberelements 155 und hilft somit Hysterese zu minimieren. Das Führungselement 165 ist vorzugsweise kugelig oder ballig und wird extrem reibungsarm ausgestaltet.
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Die Balgabdichtung 145 ist gleichzeitig das Federelement zur Messung der Kraft. Auf diese Weise kann die Reibung des Abdichtelementes eliminiert werden. Der Federweg des Balges 145 wird auf die maximale Drosselkraft hin ausgelegt. Der Hub des Balges 145 wird typischerweise maximal 5 mm betragen. Das annähernd reibungsfreie Messsystem vereint den Vorteil, auf der einen Seite direkt im hochbeanspruchten Druckraum die Drosselkörperkraft aufzunehmen und andererseits außerhalb des Ventilgehäuses 105, in einem eher geschützten Bereich, den Hub abzugreifen.
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Das Balgfederelement 145 kann durch einen beliebigen Verformungskörper ersetzt werden, welcher eine hermetisch dichte Verbindung zwischen Drosselkörper 120 und Ventilstange 130 ermöglicht, die Übertragungsstange 150 einhüllt und sich unter Krafteinwirkung in Längsrichtung definiert elastisch verformen kann. Es sollte durch entsprechende Gestaltung radiale Auslenkung und Verkippung des Drosselkörpers 120 unterdrücken und axiale Verformung zulassen können.
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Der Sensormagnet bzw. das Sensor-Geberelement 155 kann gleichzeitig für die Hubmessung an der Ventilstange 130 dienen. In diesem Falle wird ein zweiter Sensorchip (nicht dargestellt) verwendet, welcher die Bewegung des Geberelementes 155 relativ zum Ventilgehäuse 105 erfasst.
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Zur Messung der Relativbewegung zwischen Drosselkörper 120 bzw. Übertragungsstange 120 und Ventilstange 130 können magnetoresistive, Hall-, kapazitive, induktive, potentiometrische oder alle anderen bekannten Positionssensorarten eingesetzt werden. Bevorzugt werden berührungslos funktionierende Sensoren.
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Durch ein oder mehrere Temperaturfühlerelemente (z.B. PT 100, nicht dargestellt) kann das Temperaturgefälle zwischen Ventilsitz 125 und Sensorchip 160 erfasst und für Temperaturfehlerkompensationsmaßnahmen herangezogen werden.
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Kombiniert man die Hubmessung des Drosselkörpers 120 mit der Messung des Hubes der Ventilstange 130 relativ zum Ventilgehäuse 105, wie sie in konventionellen Ventilstellungsreglern üblich ist, so hat man die genaue Position des Drosselkörpers 120. Auf diese Weise kann exakt bestimmt werden, ob der Drosselkörper 120 sich am Sitz 125 des Ventils 100 befindet und welche Kraft der Drosselkörper 120 in der Schließstellung erfährt. Durch einen Vergleich mit der Antriebskraft kann die Verlustkraft zwischen dem Antrieb und dem Drosselkörper 120 bestimmt werden. Zu jeder anderen Drosselkörperstellung kann ebenfalls der Wirkungsgrad der Stellkraft ermittelt werden. Der Wirkungsgrad wird hauptsächlich vom Dichtungselement 140 der Stangendurchführung bestimmt. Dieser Wirkungsgrad kann zu Diagnosezwecken herangezogen werden: Der Verlauf des Wirkungsgrades über die Zeit gibt Aufschluss über den Verschleiß der Packung der Dichtung 140. Eine der Ursachen kann beispielsweise auch ein Verkrusten des Ventils durch Ablagerungen sein, wenn diese Ablagerungen die Ventilstange 130 und / oder den Drosselkörper 120 behindern.
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Glossar
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Balg-Federelement
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Dabei handelt es sich um eine bevorzugt einteilige Kombination aus einem Feder- und einem Dichtelement
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Drosselkörper
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Dieses Teil wird, da es in der Regel kegelförmig ausgeführt ist, oft auch als Ventilkegel bezeichnet. Der Drosselkörper dient bei einem Prozessventil zum Regulieren der Größe der Durchflussöffnung. Zum Verschließen wird der Drosselkörper typischerweise vom Antrieb mittels der Ventilstange in den Ventilsitz gedrückt, zum Öffnen aus demselben herausgezogen. Durch die genaue Ausbildung der Kegelform wird erreicht, dass bei unterschiedlicher Positionierung durch den Antrieb unterschiedliche Durchflussquerschnitte erreicht werden.
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Prozessventil
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Prozessventile, auch Stell- oder Regelventile genannt, dienen zur Drosselung bzw. Regelung fluidischer Ströme. In einer Durchflussöffnung eines Ventilsitzes wird zu diesem Zweck ein Drosselkörper mittels eines Antriebs bewegt. Dadurch kann die Durchflussöffnung in ihrer Größe verändert werden, wodurch die Durchflussmenge verändert wird, bis hin zum Verschließen der Durchflussöffnung. Typischerweise wird hierzu ein pneumatischer oder elektrischer Antrieb verwendet.
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Ventilgehäuse
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Dies bezeichnet das Teil eines Ventils, das die Durchflussöffnung mit Ventilsitz sowie den Drosselkörper umgibt.
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Ventilsitz
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Der Ventilsitz umrandet in der Regel die Durchflussöffnung eines Ventils. Bei einem Prozessventil bildet der Ventilsitz das Gegenstück zum Drosselkörper und ist von seiner Form her auf diesen abgestimmt. Dadurch wird einerseits erreicht, dass das Ventil dicht schließt, andererseits dass es eine gewünschte Abhängigkeit des Durchflussquerschnitts von der Positionierung des Drosselkörpers aufweist. Typischerweise können Ventilsitz und Drosselkörper gemeinsam getauscht werden, um unterschiedliche Durchflusscharakteristiken des Ventils zu ermöglichen.
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Ventilstange
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Eine Ventilstange ist die übliche Verbindung zwischen Drosselkörper und Antrieb eines Ventils. Diese ist im Regelfall starr ausgebildet, kann aber auch flexible Elemente aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Prozessventil
- 105
- Ventilgehäuse
- 110
- Zuströmseite
- 115
- Abströmseite
- 120
- Drosselkörper
- 125
- Ventilsitz
- 130
- Ventilstange
- 135
- Kupplungsnut
- 140
- Stopfbuchse
- 145
- Balgfederelement
- 150
- Übertragungsstange
- 155
- Signalgeber
- 160
- Sensor
- 165
- Führungselement
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zitierte Literatur
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zitierte Patentliteratur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3049702 A1 [0005, 0048]
- DE 102010036711 A1 [0006, 0048]
- DE 19601023 A1 [0007, 0048]
- EP 3084381 A1 [0008, 0048]
- US 6155284 [0009, 0048]
