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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils.
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Ein Drehventil weist ein drehbar gelagertes Ventilglied auf. Durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds kann das Drehventil geschlossen oder geöffnet werden. Das drehbar gelagerte Ventilglied wird hierzu in vielen Fällen mit einem elektrischen oder pneumatischen Antrieb betätigt. Das drehbar gelagerte Ventilglied kann als Klappe oder durchbohrte Kugel ausgebildet sein, wobei man das Drehventil im ersten Fall als Klappenventil und im zweiten Fall als Kugelhahn bezeichnet.
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Drehventile werden bspw. in prozesstechnischen Anlagen zur Kontrolle eines Prozessmediums eingesetzt, u.a. auch als Sicherheitsventile. Ihre Funktionsfähigkeit sollte deshalb zu jedem Zeitpunkt gewährleistet und dementsprechend möglichst regelmäßig überprüft und/oder getestet werden.
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Um Verschleiß und mögliche Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit eines Drehventils zu erkennen und damit die Funktionsfähigkeit des Drehventils sicherzustellen, werden u.a. Drehmomentsensoren zum Ermitteln eines von einem Antrieb auf ein drehbar gelagertes Ventilglied des Drehventils zu übertragenden Drehmoments eingesetzt. Derartige Drehmomentsensoren befinden sich in vielen Fällen zwischen dem Antrieb und dem drehbar gelagerten Ventilglied, bspw. an oder in der Nähe einer Kupplung, die den Antrieb mit dem drehbar gelagerten Ventilglied verbindet.
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Ein Drehmomentsensor, der in einem Drehventil verbaut ist, steht beim Betrieb des Drehventils bzw. einer prozesstechnischen Anlage, in dem das Drehventil zur Kontrolle eines Prozessmediums eingesetzt wird, fast immer unter einer Last. Wird z.B. das drehbar gelagerte Ventilglied bewegt, wirkt in der Regel eine Last durch Haft- bzw. Gleitreibung. Auch die Trägheit der zu bewegenden bzw. bewegten Baugruppen stellt dabei eine Last dar. Im geschlossenen Zustand wird das drehbar gelagerte Ventilglied häufig gegen eine Dichtung gepresst, um ein Dichtschließen des Drehventils zu gewährleisten. Im geöffneten Zustand muss der Antrieb häufig rückstellende Kräfte, wie z.B. Feder- oder Gewichtskräfte, ausgleichen und dazu ein Drehmoment auf das drehbar gelagerte Ventilglied übertragen. In Stellungen zwischen einem vollständig geöffneten und geschlossenen Zustand des Drehventils, übt zudem das vorbeiströmende Prozessmedium in der Regel eine Kraft auf das drehbar gelagerte Ventilglied und damit auch den Drehmomentsensor aus. Aufgrund von (Material-)Setzungen oder einer Veränderung der Umgebung (bspw. der Temperatur) oder des Prozessmediums kann die Last auf das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. den Drehmoment-sensor zwar abnehmen. Allerdings kann auch in diesen Fällen eine vollständige Lastfreiheit kaum erreicht oder zumindest nicht gewährleistet werden.
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Wie bei Kraftsensoren bzw. Wägezellen üblich, unterliegen auch Drehmomentsensoren einem Driften ihres Nullpunkts, d.h. der Nullpunkt eines Drehmomentsensors verändert sich stetig. Die Drift kann bspw. auf eine zyklische und/oder stetige Lastbeaufschlagung und damit einhergehenden Verschleiß, auf Temperaturschwankungen oder auf die Veränderung anderer Umgebungseinflüsse wie z.B. der Luftfeuchtigkeit und/oder auf Materialsetzungen bzw. Alterung zurückzuführen sein. Die Steigung der für die Kraftmessung genutzten Kennlinie bzw. die für die Kraftmessung genutzte (Feder-)konstante bleibt dabei meist weitestgehend konstant bzw. unverändert. Der durch die Drift entstehende unerwünschte Offset addiert sich jedoch auf das Messergebnis, so dass nicht nur das Messergebnis verfälscht wird, sondern sich auch die Messtoleranzen mit der Zeit verschlechtern bzw. die Messfehler größer werden.
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Abhilfe kann geschaffen werden, wenn der Nullpunkt bzw. der 0-Wert des Drehmomentsensors von Zeit zu Zeit neu kalibriert bzw. bestimmt wird und der zusätzliche Offset in der Elektronik des Drehmomentsensors zur Kompensation als neuer Wert hinterlegt wird. Da kein lastfreier Zustand zur Nullpunkt-Kalibration im laufenden Betrieb eindeutig festgestellt bzw. gewährleistet werden kann, muss für eine Kalibrierung ein lastfreier Zustand hergestellt bzw. herbeigeführt werden, was in der Regel nur im Stillstand (kein Betrieb) möglich ist. Der zeitliche Abstand zwischen Stillständen der Anlage kann ein größeres Zeitintervall von typischerweise 3 bis 5 Jahren sein, so dass ein Driften des Drehmomentsensors erst nach einem langen Zeitintervall erkannt und korrigiert werden kann. Somit besteht das Risiko, dass Verschleiß und/oder eine mögliche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit eines Drehventils nicht oder zumindest nicht rechtzeitig erkannt werden. Des Weiteren besteht die Gefahr eines Fehlalarms oder von Falschmeldungen, die dazu führen, dass der Betrieb des Drehventils bzw. der prozesstechnischen Anlage zur Wartung bzw. Behebung des Fehlers unnötigerweise unterbrochen wird.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind verschiedene Drehmomentsensoren für Drehventile offenbart.
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In der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2019 107 203 U1 wird bspw. eine Messeinrichtung zur Drehmomenterfassung beschrieben. Die Messeinrichtung ist so ausgestaltet, dass mit ihr ein Antrieb eines Drehventils mit einem drehbar gelagerten Ventilglied des Drehventils über eine Welle und zwei Vierkantkupplungen an gegenüberliegenden Seiten der Welle verbunden werden kann. Dabei verdreht sich die Welle bzw. wird tordiert, wenn das mithilfe der Messeinrichtung mit dem Antrieb verbundene drehbar gelagerte Ventilglied mit einem Drehmoment beaufschlagt wird. Die Verdrehung oder Torsion der Welle wird dabei mithilfe von Drehwinkelsensoren erfasst und als Maß für das übertragene Drehmoment genutzt. Die Drehmomentmesseinrichtung der
DE 20 2019 107 203 U1 kann auch als Drehmomentmesskupplung aufgefasst werden.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2012 111 883 A1 beschreibt weitere Möglichkeiten zur Messung eines Drehmoments, das auf ein drehbar gelagertes Ventilglied eines Drehventils übertragen wird. Dazu gehören alternative Ausgestaltungen von Drehmomentmesskupplungen, wobei Dehnungs- oder Torsionsmessstreifen eingesetzt werden. Gemäß der
DE 10 2019 122 525 A1 können hierfür auch Anordnungen aus Polringen und magnetoresistiven Sensoren eingesetzt werden.
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Des Weiteren werden optische Vorrichtungen, bei denen Laser eingesetzt werden, oder Verfahren, die Drehmomente anhand der Wirkleistung eines entsprechend ausgestalteten Antriebs bestimmen, genannt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2017 124 293 A1 beschreibt Drehventile mit einer Kupplung zwischen einem drehbar gelagerten Ventilglied und einem Antrieb, deren Funktionsfähigkeit mithilfe verschiedener Sensoren, u.a. mithilfe eines Drehmomentsensors, überprüft werden kann. Die Schrift stellt dabei auf die Funktionsfähigkeit der Kupplung ab, wobei schadhafte bzw. ausgeschlagene Kupplungen anhand einer Veränderung des Kupplungsspiels erkannt werden. Die vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen stellen eine Weiterentwicklung der in der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2004 020 347 U1 beschriebenen Vorrichtungen dar, bei denen zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit zwei für diesen Zweck ausgebildete Drehwinkelsensoren benötigt werden, wohingegen die Schrift
DE 102017 124 293 A1 die Verwendung der ggf. ohnehin vorhandenen Sensorik eines Drehventils vorschlägt. Das in der
DE 10 2017 124 293 A1 beschriebene Verfahren kann u.a. im Rahmen eines Teilhubtests ausgeführt werden. Teilhubtests stellen eine weitere Möglichkeit dar, um im laufenden Betrieb einer Anlage, d.h. ohne eine Unterbrechung der Arbeitsprozesse, die auf der Anlage ablaufen, die Funktionsfähigkeit eines Sicherheitsventils zu überprüfen bzw. sicherzustellen (siehe z.B. die Offenlegungsschriften
DE 197 23 650 A1 oder
WO 2009/013205 A1 oder die Patentschrift
DE 10 2018 103 324 B3 ). Das Ventilglied wird dabei bewegt, aber ohne die Arbeitsprozesse der Anlage maßgeblich zu beeinflussen oder zu stören.
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Zur Kalibrierung eines Drehmomentsensors eines Drehventils eignen sich grundsätzlich alle Verfahren, die auch für andere Kraftsensoren bzw. Wägezellen verwendet werden. Zum Beispiel kann das in der Offenlegungsschrift
DE 10 2020 105 759 A1 beschriebene Verfahren verwendet werden. Dabei wird ein lastfreier Zustand durch ein optisches Signal an einen Bediener oder eine mechanische Blockade der Vorrichtung sichergestellt.
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Das in der Patentschrift
EP 3 372 963 B1 vorgeschlagene Verfahren zur Kalibrierung einer Waage bzw. einer Wägezelle geht einen Schritt weiter und nutzt den zur Kalibrierung bzw. Nullpunktanpassung bzw. zum Nullpunktabgleich gemessenen Offset zum Ermitteln von Verschleiß. Verschleiß wird dabei anhand vorheriger Nullpunktanpassungen erkannt, insbesondere anhand der Anzahl und des Maximalwerts der vorhergehenden Nullpunktanpassungen. Eine Nullpunktanpassung erfolgt nur, wenn sie sich innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes bewegt. Andernfalls wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
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Weitere Verfahren zur Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils sind auch aus der Offenlegungsschrift
JP 2013-7600 A oder der Offenlegungsschrift
US 2020/0124198 A1 bekannt.
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Bei all diesen Vorrichtungen und Verfahren zur Kalibrierung bzw. Kalibration eines Drehmomentsensors ist es jedoch zwingend erforderlich, einen lastfreien Zustand herbeizuführen bzw. sicherzustellen. Dies kann jedoch nur bei Inbetriebnahme der entsprechenden Vorrichtung oder durch eine Unterbrechung des Betriebs gewährleistet werden. Das Risiko, Verschleiß und/oder eine mögliche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit eines Drehventils nicht oder zumindest nicht rechtzeitig zu erkennen, besteht weiterhin. Auch ein Fehlalarm oder Falschmeldungen, die dazu führen, dass der Betrieb des Drehventils bzw. der prozesstechnischen Anlage zur Wartung bzw. Behebung des Fehlers unnötigerweise unterbrochen wird, können weiterhin nicht ausgeschlossen werden.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Kalibrierung bzw. Kalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils im laufenden Betrieb durchgeführt werden kann.
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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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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte werden in einer bevorzugten Variante der Erfindung in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Die Schritte müssen aber 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 ein Verfahren zur Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils vorgeschlagen, wobei das Drehventil folgende Komponenten aufweist:
- - ein drehbar gelagertes Ventilglied,
- - einen Antrieb zum Öffnen oder Schließen des Drehventils durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds,
- - eine zwischen dem Antrieb und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb auf das Ventilglied, wobei die Kupplung ein Spiel aufweist, und
- - den Drehmomentsensor, wobei der Drehmomentsensor zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist.
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Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a) Während eines ersten Zeitintervalls beaufschlagt der Antrieb das Ventilglied mit einem ersten Drehmoment, um das Ventilglied in einer ersten Drehrichtung zu drehen.
- b) Während eines zweiten Zeitintervalls beaufschlagt der Antrieb das Ventilglied mit einem zweiten Drehmoment, um das Ventilglied entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung zu drehen.
- c) Während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall wird das Spiel der Kupplung vollständig oder teilweise durchlaufen.
- d) Das Drehmoment wird während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung mit Hilfe des Drehmomentsensors gemessen.
- e) Das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, wird zur Nullpunktkalibration des Drehmomentsensors herangezogen.
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Die Messung des gegenwärtigen Nullpunkts bei einem Nullpunktabgleich erfolgt dabei vorzugsweise unter Berücksichtigung einer etwaig vorhergehenden letzten Nullpunktkalibration, also unter Berücksichtigung der momentan geltenden Verschiebung des Nullpunkts.
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Durch das Beaufschlagen des Ventilglieds mit dem ersten und dem zweiten Drehmoment wird sichergestellt, dass das Spiel der Kupplung vollständig oder wenigstens teilweise durchfahren wird. Beim vollständigen oder teilweisen Durchfahren des Spiels wirkt keine Last auf den Drehmomentsensor. Die beim Durchfahren des Spiels gemessenen Werte können demnach zum Nullpunktabgleich bzw. zur Nullpunktanpassung bzw. Kalibrierung des Drehmomentsensors genutzt werden.
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Der erste und der zweite Zeitraum bzw. das erste und das zweite Drehmoment können dabei so gewählt werden, dass das Ventilglied nicht oder so gut wie nicht bewegt wird. Die Kalibrierung bzw. Kalibration des Drehmomentsensors kann deshalb erfolgen, ohne den Betrieb des Drehventils bzw. einer Anlage, in der das Drehventil eingesetzt wird, zu unterbrechen oder maßgeblich zu stören. Dies ermöglicht es zudem, den Drehmomentsensor häufiger zu kalibrieren und somit das Risiko dafür zu senken, dass Verschleiß und/oder eine mögliche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit eines Drehventils nicht oder zumindest nicht rechtzeitig erkannt. Auch die Gefahr eines Fehlalarms oder von Falschmeldungen, die dazu führen, dass der Betrieb des Drehventils bzw. der prozesstechnischen Anlage zur Wartung bzw. Behebung des Fehlers unnötigerweise unterbrochen wird, kann vermindert werden.
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Der Drehmomentsensor kann das Drehmoment während des ersten und/oder des zweiten Zeitintervalls und/oder während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall messen. Die Messung kann auch kontinuierlich bzw. in regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen erfolgen, ohne Rücksicht auf das erste und/oder zweite Zeitintervall. Es kann auch gezielt nur beim Übergang vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessen werden, bspw. um Energie zu sparen.
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Das Verfahren kann bei Bedarf ausgeführt werden und dabei bspw. von einem Bediener des Drehventils gestartet werden. Es kann auch in regelmäßigen Intervallen wiederholt werden, bspw. täglich, wöchentlich oder monatlich.
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Durch eine regelmäßige Ausführung kann die Zuverlässigkeit des Drehmomentsensors gewährleistet bzw. verbessert werden. Eine regelmäßige Ausführung kann durch Ausführungen des Verfahrens nach Bedarf ergänzt werden, wenn bspw. der Bedarf besteht, das Drehmoment genau zu bestimmen und/oder der aktuell gemessene Wert durch eine Nullpunktanpassung/-kalibrierung des Drehmomentsensors überprüft werden soll und/oder das Drehventil für einen kritischen Betriebszustand vorbereitet werden soll, welcher eine möglichst genaue Überwachung erfordert.
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Das Spiel der Kupplung ist einerseits zur Montage notwendig. Andererseits können damit ungewollte Kraftnebenschlüsse verhindert werden, die ggf. die Steuerung des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. die Drehmomentmessung negativ beeinflussen könnten. Das Spiel der Kupplung ist deshalb bevorzugt so ausgelegt, dass Kraftnebenschlüsse vermieden oder sogar ausgeschlossen werden können.
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Der Antrieb beaufschlagt das Ventilglied während des ersten Zeitraums mit dem ersten Drehmoment, um das Ventilglied in die erste Drehrichtung zu drehen, und während des zweiten Zeitintervalls mit dem zweiten Drehmoment, um das Ventilglied entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung zu drehen. Daraus ergibt sich, dass sich der erste und zweite Zeitraum nicht überschneiden. Zudem erfordert der Übergang vom ersten zum zweiten Drehmoment eine gewisse Zeitspanne. Der erste und der zweite Zeitraum können demnach direkt aufeinander folgen, wobei dies jedoch so zu verstehen ist, dass sie wenigstens durch die Zeitspanne voneinander getrennt sind, die für den Übergang vom ersten zum zweiten Drehmoment benötigt wird. Die beiden Zeitintervalle können jedoch auch durch einen größeren Zeitraum voneinander getrennt sein.
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Die Beaufschlagung mit dem ersten (oder zweiten) Drehmoment während des ersten (oder zweiten) Zeitintervalls ist nicht nur so auszulegen, dass der Antrieb das Ventilglied während des ersten (oder zweiten) Zeitintervalls nur mit einem bestimmten Drehmoment beaufschlagt. Die Beaufschlagung kann eine Mehrzahl verschiedener Drehmomente umfassen, wobei das erste (oder zweite) Drehmoment lediglich ein Teil der Mehrzahl der verschiedenen Drehmomente ist. Sie kann auch durch eine stetige Veränderung des Drehmoments erfolgen, mit dem der Antrieb das Ventilglied beaufschlagt, wobei das erste (oder zweite) Drehmoment lediglich für einen oder mehrere Zeitpunkte erreicht wird.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann im Rahmen eines Teilhubtests zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Drehventils durchgeführt werden. Hierzu kann das Drehventil mit Mitteln zum Durchführen eines Teilhubtests ausgestattet sein und die Schritte des Beaufschlagens des Ventilglieds mit dem ersten und dem zweiten Drehmoment als Teil des Teilhubtests ausgeführt werden. Das heißt die Schritte werden bei der Durchführung des Teilhubtests durchgeführt, um das Ventilglied um einen Teilhub bzw. um einen Teil eines Vollhubs bzw. um einen Teil einer Volldrehung zu verfahren. Das erste und das zweite Drehmoment sind dabei automatisch so ausgelegt, dass das Spiel der Kupplung vollständig durchfahren wird, da in einem Teilhubtest stets eine Richtungsumkehr stattfindet. Demnach werden lediglich die Schritte d) und e) des vorgeschlagenen Verfahrens dem Teilhubtest hinzugefügt. Das Verfahren kann demnach durch Hinzufügen der Schritte d) und e) in die bereits bekannten Routinen für Teilhubtests integriert und zusammen mit diesen ausgeführt werden oder als eine Ausbaustufe eines Teilhubtests betrachtet werden.
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Das Drehventil kann einen Drehwinkelsensor zum Messen des Drehwinkels des Ventilglieds und Mittel zum Aufzeichnen der Messwerte des Drehwinkelsensors aufweisen. Damit kann das Verfahren weiter ausgestaltet und um folgende Schritte ergänzt werden:
- f) Der Drehwinkel des Ventilglieds wird während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall mithilfe des Drehwinkelsensors gemessen und aufgezeichnet.
- g) Das Durchlaufen des Spiels der Kupplung wird mit den während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessenen und aufgezeichneten Werten des Drehwinkels des Ventilglieds geprüft.
- h) Die Nullpunktkalibration des Drehmomentsensors wird nur ausgeführt, wenn das Durchlaufen des Spiels mithilfe der während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessenen und aufgezeichneten Werten des Drehwinkels des Ventilglieds verifiziert wurde.
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Auf diese Weise kann bspw. sichergestellt werden, dass die Nullpunktkalibration bzw. Nullpunktkalibrierung bzw. Nullpunktanpassung des Drehmomentsensors nur dann erfolgt, wenn das Ventilglied beim Durchlaufen des Spiels stillsteht bzw. sich nahezu nicht mehr bewegt. Damit kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Verfahrens verbessert werden.
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Des Weiteren kann vor dem ersten Zeitintervall mithilfe des zuvor genannten Drehwinkelsensors und den zuvor genannten Mitteln zum Aufzeichnen der Messwerte des Drehwinkelsensors eine Ventilsignatur des Drehventils aufgenommen werden. Das Durchlaufen des Spiels der Kupplung kann dann zusätzlich mithilfe der Ventilsignatur geprüft werden.
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Die Ventilsignatur kann dabei eine Drehwinkel-Drehmoment-Signatur sein. Liegen andere Sensordaten vor, kann auch mit diesen Daten eine Signatur gebildet werden. Dabei kann das vollständige oder teilweise Durchlaufen des Spiels der Kupplung bspw. durch Abweichungen von der Signatur festgestellt werden. Auch mit dieser Maßnahme kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Verfahrens verbessert werden.
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Das Drehventil kann zudem mit Mitteln zum Ausgeben einer Fehlermeldung ausgestattet werden. Die Mittel zum Ausgeben der Fehlermeldung können aktiviert und eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn bei der zuvor beschriebenen Prüfung das Durchlaufen des Spiels der Kupplung nicht verifiziert, sondern falsifiziert wurde. Dabei wird das Durchlaufen des Spiels als nicht erfolgt angesehen, d.h. falsifiziert, wenn das Durchlaufen nicht verifiziert werden konnte. Auf diese Weise können bspw. Verschleiß, Verschmutzungen bzw. Fremdpartikel und/oder mögliche Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit des Drehventils erkannt werden.
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Zur Kalibrierung des Drehmomentsensors kann ein Toleranzband vorgegeben werden und das Verfahren so ausgestaltet werden, dass das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, nur dann zur Nullpunktkalibration des Drehmomentsensors herangezogen wird, wenn es einen Wert aufweist, der innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes liegt. Auf diese Weise können einmalige Ausreißer bzw. Messfehler kompensiert werden. Unvorhergesehene Belastungen des Drehmomentsensors können auf diese Weise nicht zu einer fehlerhaften Kalibration bzw. Neufestsetzung des Nullpunkts des Drehmomentsensors führen.
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Das Drehventil kann des Weiteren Mittel zur Aufzeichnung mindestens eines Werts des Drehmoments aufweisen. Dies ermöglicht es, das zuvor beschriebene Toleranzband mithilfe eines Drehmomentwerts vorzugeben, der vor dem ersten Zeitintervall aufgezeichnet wurde. Bevorzugt werden hierfür mehrere Werte aufgezeichnet und zur Vorgabe des Toleranzbandes genutzt. Auf diese Weise kann ein Driften des Nullpunkts hin zu Bereichen mit einer schlechteren Messtoleranz bzw. größeren Messfehlern bei der Vorgabe des Toleranzbandes berücksichtigt werden.
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Ferner ist es möglich, den zeitlichen Verlauf des Drehmoments aufzuzeichnen. Das Durchlaufen des Spiels kann dann daran erkannt werden, dass das Drehmoment im zeitlichen Verlauf einen Abschnitt durchläuft, in dem sich das Drehmoment nicht ändert und innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes liegt. Damit kann bspw. vermieden werden, dass die Nullpunktkalibration mit Werten durchgeführt wird, die lediglich einmalige Ausreißer darstellen und nur zufällig in dem vorgegebenen Toleranzband liegen. Das Verfahren kann somit zuverlässiger gestaltet werden.
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Beim Nullpunktabgleich bzw. der Nullpunktkalibration sollten keine sprunghaften Änderungen des Nullpunkts auftreten. Schließlich deuten zu starke Änderungen des Nullpunkts auf eine plastische Überbelastung des Drehmomentsensors oder ungewollte Kraftnebenschlüsse oder ein strukturelles Versagen des Sensors hin. Um dies für den Bediener sichtbar zu machen, kann das Drehventil Mittel zum Ausgeben einer weiteren Fehlermeldung aufweisen und ein weiteres Toleranzband vorgegeben werden. Die Mittel zum Ausgeben der weiteren Fehlermeldung werden dann aktiviert und die weitere Fehlermeldung ausgegeben, wenn das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, außerhalb des weiteren Toleranzbandes liegt.
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Liegt also der neu ermittelte Nullpunkt innerhalb des weiter oben erwähnten einen Toleranzbands, wird er als neuer Nullpunkt akzeptiert. Liegt er hingegen außerhalb - und nicht innerhalb - des jetzt eingeführten zweiten Toleranzbandes, wird die weitere Fehlermeldung ausgegeben.
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Das weitere Toleranzband kann dabei denselben Wertebereich umfassen wie das zuvor beschriebene Toleranzband. Die Entscheidung, ob der Messwert akzeptiert wird oder die weitere Fehlermeldung ausgegeben wird, hängt dann lediglich davon ab, ob der neue Nullpunkt innerhalb oder außerhalb des einheitlichen Toleranzbands liegt.
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Bevorzugterweise ist das weitere Toleranzband jedoch etwas breiter gefasst, um etwaigen Messfehlern Rechnung tragen zu können. Entsprechend liegt das zuvor beschriebene Toleranzband typischerweise innerhalb des weiteren Toleranzbands.
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Wie stets erfolgt die Messung des gegenwärtigen Nullpunkts bei einem Nullpunktabgleich dabei vorzugsweise unter Berücksichtigung der letzten Nullpunktkalibration, also der momentan geltenden Verschiebung des Nullpunkts.
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Liegt der neu gemessene Nullpunkt im Zwischenraum zwischen dem zuvor beschriebenen Toleranzband und dem weiteren Toleranzband, so wird vorzugsweise zunächst die Messung wiederholt. Wird das Ergebnis reproduziert, wird eine dritte Fehlermeldung diesen Inhalts ausgegeben.
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Auch bezüglich der zweiten Fehlermeldung, wenn der neu bestimmte Nullpunkt außerhalb des weiteren Toleranzbands liegt, kann - statt die zweite Fehlermeldung unmittelbar auszugeben - die Messung zunächst wiederholt werden. Liegt der neue Nullpunkt dann wieder außerhalb des weiteren Toleranzbands, wird die zweite Fehlermeldung ausgegeben.
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Die Aufgabe wird zudem gelöst durch einen Stellungsregler zur Regelung der Stellung eines drehbar gelagerten Ventilglieds eines Drehventils, wobei das Drehventil folgende Komponenten aufweist:
- - das drehbar gelagerte Ventilglied,
- - einen Antrieb zum Öffnen oder Schließen des Drehventils durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds,
- - eine zwischen dem Antrieb und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb auf das Ventilglied, wobei die Kupplung ein Spiel aufweist, und
- - einen Drehmomentsensor, wobei der Drehmomentsensor zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist.
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Der Stellungsregler ist zudem mit Mitteln ausgestattet, die geeignet sind, die Schritte eines der vorgeschlagenen Verfahren auszuführen. Die Mittel können eine Recheneinheit, Steuerelektronik und/oder einen Mikrocontroller mit entsprechender Programmierung darstellen. Die Programmierung kann bspw. im Rahmen einer festen Schaltungsanordnung der Recheneinheit, Steuerelektronik und/oder des Mikrocontrollers oder mithilfe von feld-programmierbaren Gatteranordnungen (FPGA) umgesetzt werden. Die Mittel können auch darin bestehen, dass der Stellungsregler mit einer Leitwarte verbunden ist, die die entsprechenden Recheneinheiten bzw. entsprechende Programmierung aufweist und Steuersignale an den Stellungsregler zurückübermittelt.
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Eine Lösung der Aufgabe stellt ebenfalls ein Drehventil mit
- - einem drehbar gelagerten Ventilglied,
- - einem Antrieb zum Öffnen oder Schließen des Drehventils durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds,
- - einer zwischen dem Antrieb und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb auf das Ventilglied, wobei die Kupplung ein Spiel aufweist,
- - einem Drehmomentsensor, wobei der Drehmomentsensor zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist, und
- - dem oben beschriebenen Stellungsregler.
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Das Drehventil kann zur Übertragung des Drehmoments eine Welle aufweisen, wobei das Drehmoment die Welle tordiert und der Drehmomentsensor so eingerichtet ist, dass er das Drehmoment anhand der Torsion der Welle misst. Die Torsion bzw. die Verdrehung der Welle aufgrund einer bestimmten Lastbeaufschlagung bleibt auch nach einer Vielzahl von Lastbeaufschlagungen und/oder langanhaltenden bzw. stetigen Lastbeaufschlagungen in der Regel unverändert oder zumindest nahezu unverändert. Sie stellt demnach ein sehr zuverlässiges und langlebiges Maß für das Drehmoment dar, das auf die Welle wirkt.
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Der Drehmomentsensor kann zudem zwei Drehwinkelsensoren aufweisen, wobei mindestens ein Drehwinkelsensor antriebsseitig und einer ventilgliedseitig angeordnet ist, und so eingerichtet sein, dass er die Torsion der Welle mithilfe der beiden Drehwinkelsensoren misst. Dabei ist der eine Drehwinkelsensor auf der Antriebsseite und der anderen Ventilgliedseite, also nahe der Ventilstange, angeordnet. Mithilfe dieser beiden Drehwinkelsensoren kann die Torsion bzw. Verdrehung der Welle auf sehr direkte Weise bestimmt werden, d.h. insbesondere mit einfachen und zuverlässigen Mitteln.
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Das Drehventil 100 kann demnach 3 Drehwinkelsensoren umfassen: zwei Drehwinkelsensoren zum Messen der Torsion der Welle und einen Drehwinkelsensor zum Erfassen des Drehwinkels des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Ventilstange. Es kann des Weiteren auch einen vierten Drehwinkelsensor aufweisen, der bspw. den Drehwinkel des Antriebs bzw. einer Antriebskomponente misst.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine prozesstechnische Anlage mit einem Drehventil wie es zuvor beschrieben wurde.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. 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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Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
- 1 ein Drehventil mit einer Drehmomentmesskupplung;
- 2A eine Ansicht der in 1 gezeigten Drehmomentmesskupplung;
- 2B einen Querschnitt der in 1 gezeigten Drehmomentmesskupplung;
- 3A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventilstange;
- 3B die Differenz der beiden in 3A gezeigten zeitlichen Verläufe;
- 3C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in 3A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde;
- 4 ein Drehwinkel-Drehwinkel-Diagramm der in 3A gezeigten Drehwinkel;
- 5 ein Drehwinkel-Drehmoment-Diagramm eines der beiden in 3A gezeigten Drehwinkel und des in 3C gezeigten Drehmoments;
- 6A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventilstange in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit größerem Spiel;
- 6B die Differenz der beiden in 6A gezeigten zeitlichen Verläufe;
- 6C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in 6A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde;
- 7 ein Drehwinkel-Drehmoment-Diagramm eines der beiden in 6A gezeigten Drehwinkel und des in 6C gezeigten Drehmoments;
- 8A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventilstange in einem dritten Ausführungsbeispiel mit geringerer zeitlicher Verzögerung im Zusammenhang mit dem Richtungswechsel des Antriebs;
- 8B die Differenz der beiden in 8A gezeigten zeitlichen Verläufe;
- 8C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in 8A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde;
- 9A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventilstange in einem dritten Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Amplituden;
- 9B die Differenz der beiden in 9A gezeigten zeitlichen Verläufe;
- 9C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in 9A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde; und
- 10 einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Drehventil 100. Das Drehventil 100 weist ein Ventilgehäuse 110 mit einer Öffnung 120 und einer weiteren Öffnung 130 auf. Die Öffnungen 120 und 130 dienen als Ein- oder Auslass für ein Prozessfluid, je nachdem in welcher Richtung das Drehventil 100 von dem Prozessfluid durchströmt wird. Zur Kontrolle des Prozessfluids bzw. des Durchflusses des Prozessfluids durch das Drehventil 100 befindet sich im Ventilgehäuse 110 ein drehbar gelagertes Ventilglied und eine Durchflussöffnung. Das drehbar gelagerte Ventilglied kann um eine Drehachse 135 um bis zu 90° gedreht werden. Mit dem drehbar gelagerten Ventilglied kann durch Drehen des Ventilglieds um die Drehachse 135 die Durchflussöffnung im Ventilgehäuse 110 verschlossen oder geöffnet werden und auf diese Weise der Durchfluss des Prozessfluids durch die Durchflussöffnung bzw. das Drehventil 100 kontrolliert werden.
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Das drehbar gelagerte Ventilglied ist in diesem Ausführungsbeispiel als Klappe mit einer Dichtlippe ausgebildet, wobei die Dichtlippe den Zwischenraum zwischen der Klappe und dem Ventilgehäuse 110 abdichtet. Das Drehventil 100 stellt somit ein Klappenventil dar. Die Form bzw. Ausgestaltung des drehbar gelagerten Ventilglieds ist für das vorgeschlagene Verfahren jedoch nicht entscheidend. Es könnte bspw. auch als durchbohrte Kugel ausgebildet sein, womit das Drehventil 100 ein Kugelhahn wäre.
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Zum Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds verfügt das Drehventil 100 über einen pneumatischen Antrieb 140. Der pneumatische Antrieb 140 erzeugt zum Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds ein Drehmoment. Das vom Antrieb 140 erzeugte Drehmoment wird dabei über eine Drehmomentmesskupplung 150 zunächst an eine Kupplungswelle 160 übertragen. Die Kupplungswelle 160 ist mit einer Ventilstange verbunden, die wiederum starr mit dem drehbar gelagerten Ventilglied verbunden ist. Die Ventilstange und das drehbar gelagerte Ventilglied befinden sich im Ventilgehäuse 110. Die Kupplungswelle 160 leitet somit das ihr übertragene Drehmoment an die Ventilstange bzw. an das drehbar gelagerte Ventilglied in dem Ventilgehäuse 110 weiter. In anderen Ausführungsformen kann die Ventilstange auch direkt mit der Drehmomentmesskupplung verbunden werden, wofür sie bspw. entsprechend verlängert sein kann.
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Die Drehmomentmesskupplung 150 sitzt auf einem Joch 170. Das Joch 170 nimmt das Gewicht der Drehmomentmesskupplung 150 sowie des pneumatischen Antriebs 140 auf und entlastet somit die Kupplungswelle 160 bzw. die Ventilstange und das drehbar gelagerte Ventilglied.
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Die Drehmomentmesskupplung 150 ist des Weiteren mit einem Magnetventil 180 verbunden. Mit dem Magnetventil 180 steuert die Drehmomentmesskupplung 150 den pneumatischen Antrieb 140 zur Regelung der Position bzw. des Drehwinkels des drehbar gelagerten Ventilglieds in dem Ventilgehäuse 110. Diese Art der Verknüpfung ist nicht zwingend. In anderen Ausführungsformen kann das Magnetventil sein Ansteuersignal auch von einer Steuerelektronik erhalten, die in einem anderen Gerät integriert ist, wie z.B. einem Stellungsregler. In diesem Fall kann die Drehmomentmesskupplung ebenfalls mit der genannten Steuerelektronik verknüpft sein und ihre Sensorsignale an die Steuerelektronik in dem anderen Gerät weiterleiten, so dass sich alle Signale, die zur Ausführung des Verfahrens zur Nullpunktkalibration notwendig sind, an einem Ort treffen. In beiden Fällen kann das Verfahren darüber hinaus in eine „partial-stroke“ Routine bzw. einen Teilhubtest integriert sein.
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Zudem verfügt die Drehmomentmesskupplung 150 über Mittel 190 zum Ausgeben einer Fehlermeldung. Die Mittel 190 zum Ausgeben einer Fehlermeldung können bspw. mit einer Leitwarte zur Steuerung des Drehventils 100 verbunden sein, oder mit einer Vorrichtung, mit der ein Bediener das Drehventil 100 steuern kann. Auf diese Weise können dem Bediener Fehlermeldungen über etwaige Fehlfunktionen des Drehventils 100 zur Kenntnis gebracht werden. Auch hier sind andere Ausführungsformen denkbar. Bspw. können die Mittel 190 der Steuerelektronik in dem anderen Gerät zugeordnet sein und/oder Teil einer Leitwarte sein, mit der das Drehventil 100 gesteuert bzw. überwacht wird.
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2A zeigt die Drehmomentmesskupplung 150 in einer Ansicht vom pneumatischen Antrieb 140 aus gesehen.
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Die Drehmomentmesskupplung 150 umfasst ein Gehäuse 200. Aus dem Gehäuse 200 ragt ein Vierkant 210 zum Anschluss an den pneumatischen Antrieb 140. Der pneumatische Antrieb 140 weist eine Antriebswelle mit einem entsprechenden Anschluss bzw. Gegenstück auf, in das der Vierkant 210 eingreifen kann. Der pneumatische Antrieb 140 und die Drehmomentmesskupplung 150 können somit über eine Vierkantkupplung miteinander verbunden werden. Über die Vierkantkupplung kann das vom Antrieb 140 zum Drehen des Ventilglieds erzeugte Drehmoment an die Drehmomentmesskupplung 150 übertragen werden. Die Kupplungswelle 160 ist ebenfalls über eine solche Vierkantkupplung mit der Drehmomentmesskupplung 150 verbunden. Die Verbindung der Antriebswelle des Antriebs 140 mit der Ventilstange bzw. dem drehbar gelagerten Ventilglied erfolgt demnach über drei Kupplungen, den beiden zuvor genannten Vierkantkupplungen sowie der Kupplung zwischen der Kupplungswelle und der Ventilstange.
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Die genannten Kupplungen weisen jeweils ein Spiel auf. Das Spiel der Kupplungen ermöglicht nicht nur die Montage, sondern ist darüber hinaus so gewählt, dass Kraftnebenschlüsse vermieden werden, die sich ggf. negativ auf die Messung des Drehmoments auswirken könnten.
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Im Folgenden wird vornehmlich das Spiel betrachtet, welches in direktem Zusammenhang mit einem lastfreien Zustand des Drehmomentsensors der Drehmomentmesskupplung in Verbindung steht, nämlich das Spiel der Kupplung zwischen dem Vierkant 210 und dem entsprechenden Gegenstück der Antriebswelle des Antriebs 140. Zu besseren Übersicht wird diese Kupplung im Folgenden antriebsseitige Kupplung genannt.
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Das Spiel der antriebseitigen Kupplung beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1°, d.h. 2π/360 rad, und zwar bezüglich der Drehachse 135. Der pneumatische Antrieb 140 kann somit beim Durchlaufen des Spiels der antriebsseitigen Kupplung eine Drehbewegung der Antriebswelle von einem 1° um die Drehachse 135 ausführen, ohne dass dabei ein Drehmoment auf die Drehmomentmesskupplung 150 übertragen bzw. ausgeübt wird. Das Spiel der beiden anderen Kupplungen spielt im Folgenden keine Rolle. In anderen Ausführungsformen kann das Spiel der antriebsseitigen Kupplung bzw. der anderen beiden Kupplungen jedoch auch andere Werte aufweisen. Es kann jeweils in einem Bereich von 0,01 ° bis 10°, 0,02 bis 5°, 0,05° bis 2°, 0,1° bis 1° oder 0,2° bis 0,5° liegen.
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Das Gehäuse 200 weist zudem zwei elektrische Anschlüsse 220 und 230 auf. Mit dem elektrischen Anschluss 220 wird die Drehmomentmesskupplung 150 mit Energie versorgt. Mit dem elektrischen Anschluss 230 kann die Drehmomentmesskupplung 150 mit dem Magnetventil 180 verbunden werden.
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2B zeigt einen Querschnitt der Drehmomentmesskupplung 150 entlang der in 2A gekennzeichneten Schnittebene A-A. Die Ansicht offenbart das Innenleben der Drehmomentmesskupplung 150, insbesondere eine Drehmomentmesswelle 240, einen antriebsseitigen Drehmomentsensor 250 und einen ventilgliedseitigen Drehwinkelsensor 260. Sie zeigt auch einen ventilgliedseitigen Anschluss 270 (in diesem Ausführungsbeispiel ein Innenvierkant) zur Aufnahme und Verbindung der Drehmomentmesskupplung 150 mit der Kupplungswelle 160. Wie der Querschnittansicht entnommen werden kann, sind der ventilgliedseitige Anschluss 270, die Drehmomentmesswelle 240 und der Vierkant 210 einteilig ausgeführt.
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Die Drehmomentmesswelle 240 weist in der Mitte einen verjüngten Teil 280 auf. Wirkt ein Drehmoment auf die Drehmomentmesswelle 240 wird v.a. der verjüngte Teil 280 der Drehmomentmesswelle 240 verdreht bzw. tordiert. Zur Messung dieser Torsion umfasst der antriebsseitige Drehmomentsensor 250 einen Polring 251, der an der zum pneumatischen Antrieb 140 zugewandten Seite des verjüngten Teils 280 der Drehmomentmesswelle 240 angebracht ist. Darüber hinaus umfasst der Drehmomentsensor 250 einen Magnetfeldsensor 252, der an einer Hülse 265 angebracht ist. Die Hülse 265 ist drehsteif mit dem ventilgliedseitigen Anschluss 270 verbunden. Wird die Drehmomentmesswelle 240 tordiert, resultiert die Torsion der Drehmomentmesswelle 240 demnach in einer relativen Verdrehung des Polrings 251 gegenüber dem Magnetfeldsensor 252. Diese Verdrehung wird vom Magnetfeldsensor 252 über eine entsprechende Änderung des Magnetfelds, das vom Polring 252 auf den Magnetfeldsensor ausgeübt wird, registriert. Auf diese Weise kann somit die Verdrehung der Drehmomentmesswelle 240 gemessen und als Maß zur Bestimmung des Drehmoments herangezogen werden, das auf die Drehmomentmesswelle 240 wirkt. Die Torsion bzw. Verdrehung der Drehmomentmesswelle 240 kann dabei im Bereich von 0,01° bis 10°, 0,02 bis 5°, 0,05° bis 2°, 0,1° bis 1° oder 0,2° bis 0,5° liegen.
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Der ventilgliedseitige Drehwinkelsensor 260 ist an dem ventilgliedseitigen Anschluss 270, der auf der dem Ventilglied zugewandten Seite des verjüngten Teils 280 liegt, angebracht. Mit dem Drehwinkelsensor 260 kann somit die Stellung des ventilgliedseitigen Anschlusses 270 bestimmt werden. Die Stellung des ventilgliedseitigen Anschlusses 270 entspricht dabei der Stellung des drehbar gelagerten Ventilglieds modulo des Spiels der Vierkantkupplung zwischen der Drehmomentmesswelle 240 und der Kupplungswelle 160 und modulo des Spiels der Kupplung zwischen der Kupplungswelle 160 und der Ventilstange. Dieser Unterschied spielt im Folgenden keine Rolle. Zur Vereinfachung der Diskussion wird deshalb im Folgenden der Drehwinkel bzw. die Drehstellung des ventilgliedseitigen Anschlusses 270, die mit dem Drehwinkelsensor 260 gemessen wird, mit dem Drehwinkel bzw. der Drehstellung der Kupplungswelle 160 bzw. der Ventilstange bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds gleichgesetzt. Der Messbereich des Drehwinkelsensors 260 umfasst demnach mindestens 90°.
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Die Drehmomentmesskupplung 150 weist des Weiteren eine Platine 290 mit einem Mikrocontroller und einem Speicher auf, mit der die Auswertung des Drehmoments und der Messwinkel realisiert wird. Der Mikrocontroller der Platine 290 ist hierzu sowohl mit dem antriebsseitigen Drehmomentsensor 250, insbesondere dem Magnetfeldsensor 252, als auch dem ventilgliedseitigen Drehwinkelsensor 260 verbunden. Er kann zudem mithilfe des elektrischen Anschlusses 230 mit dem Magnetventil 180 des Drehventils 100 verbunden werden. Über diese Verbindung steuert der Mikrocontroller der Platine 290 das Magnetventil 180.
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Da die Hülse 265 drehsteif mit dem Anschluss 270 verbunden ist, dreht sich der Magnetfeldsensor 252 bzw. der Drehmomentsensor 250 ebenfalls mit der Drehmomentmesswelle 240 mit. Die Verbindung zu der Platine 290 erfolgt demnach bevorzugt über abrollende Bandkabel bzw. Schleifringe. Funk- und induktive Übertragungswege sind ebenfalls denkbar.
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Der Mikrocontroller verfügt zudem über einen Speicher. In dem Speicher sind Information zur Steuerung des Magnetventils 180 hinterlegt. Insbesondere kann in dem Speicher ein zeitlicher Verlauf für die Stellung der Antriebswelle vorgegeben werden.
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3A zeigt einen zeitlichen Verlauf 300 des Drehwinkels der Antriebswelle, der in dem Speicher des Mikrocontrollers hinterlegt wurde. Der zeitliche Verlauf 300 zeigt somit keine gemessenen Ist-, sondern vorgegebene Soll-Werte. Dies ist für den betrachteten Fall jedoch von untergeordneter Bedeutung. Deshalb kann im Folgenden der vorgegebene Soll-Wert für die Stellung der Antriebswelle mit dem Ist-Wert für die tatsächliche Stellung der Antriebswelle gleichgesetzt werden.
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3A zeigt zudem einen zeitlichen Verlauf 310 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds, der mit dem Drehwinkelsensor 260 aufgenommen wurde (die Drehwinkel sind dabei in ° angegeben, wobei 1° = 2π/360 rad beträgt; die Zeit ist in Sekunden angegeben).
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Zudem zeigt 3B die Differenz 320 der Drehwinkel 300 und 310 über den betrachteten Zeitraum.
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3C zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 330 des Drehmoments, das von dem pneumatischen Antrieb 140 auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird (das Drehmoment ist dabei in Nm angegeben). Der zeitliche Verlauf 330 wurde mithilfe des Drehmomentsensors 250 parallel zu dem zeitlichen Verlauf 310 aufgenommen.
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Dem zeitlichen Verlauf 300 ist zu entnehmen, dass der Mikrocontroller der Platine 290 das Magnetventil 180 des pneumatischen Antriebs 140 so steuert, dass sich die Antriebswelle zwischen den Drehwinkeln 1° und 10° hin und her bewegt, und zwar mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit von ca. 2,3 °/s zu Beginn und ca. 3 °/s im weiteren Verlauf, mit Pausen von ca. 1 s vor jedem Richtungswechsel.
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Der Vergleich des zeitlichen Verlaufs 300 mit dem zeitlichen Verlauf 310 zeigt dabei, dass die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied der Drehbewegung der Antriebswelle folgt, und zwar mit einer Verzögerung von ca. 1° bei Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln und nahezu ohne Verzögerung bei Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkelwerten. Dieses Verhalten zeigt sich auch in der Differenz 320 der zeitlichen Verläufe 300 und 310, d.h. der Differenz der Drehwinkel der Antriebswelle und der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds. Es spiegelt das Spiel der antriebsseitigen Kupplung sowie die Definition der Nulllagen der Drehwinkel wider. Bei Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln kann sich das gesamte Spiel der antriebsseitigen Kupplung zu dem Drehwinkel der Antriebswelle addieren. Bei Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln besteht zu großen Teilen kein Unterschied zwischen den Drehwinkeln. Die Drehwinkeln sind demnach so kalibriert bzw. die Nulllagen so definiert, dass bei Bewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln, die Antriebs- und Kupplungswelle 160 denselben Drehwinkel aufweisen können.
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Der zeitliche Verlauf 330 des Drehmoments ist vor Allem durch Gleitreibungseffekte geprägt. Bewegt die Antriebswelle das drehbar gelagerte Ventilglied hin zu größeren Drehwinkeln, weist das Drehmoment einen Wert von (in diesem Beispiel) +20 Nm auf. In die entgegengesetzte Richtung wechselt das Drehmoment sein Vorzeichen und beträgt (in diesem Beispiel) -20 Nm. Der Wert 20 Nm ist dabei der Gleitreibung der Klappe im Ventilgehäuse 110 zuzuschreiben. Die Gleitreibung entsteht dabei im Wesentlichen dadurch, dass die Dichtlippe der Klappe gegen das Ventilgehäuse 110 gedrückt und derart am Ventilgehäuse 110 entlanggezogen wird, dass die Dichtlippe eine rückstellende Kraft auf die Klappe ausübt. Die Gleitreibung ist demnach durch die Verformung der Dichtlippe gegeben. Sie bleibt auch dann bestehen, wenn die Antriebs- und Kupplungswelle 160 bei ca. 5 s bis 6 s eine Ruheposition einnehmen bzw. sich nicht mehr bewegen. Sie hat zudem für die betrachteten Drehgeschwindigkeiten von 2,3 °/s und 3 °/s den gleichen Wert. Wird die Antriebswelle in die entgegengesetzte Richtung bewegt, entspannt sich die Dichtlippe zunächst und setzt die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied um einen kleinen Winkel von ca. 0,1° zurück. Ähnliches gilt für die Ruhepositionen bei ca. 9 bis 10 s und bei ca. 13 bis 14 s.
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Gleichzeitig durchläuft die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung. Dies kann anhand der Tatsache abgelesen werden, dass sich der Drehwinkel der Antriebswelle verändert, während der Drehwinkel des Ventilglieds unverändert bleibt. Das Durchlaufen des Spiels kann auch anhand der Veränderung der Differenz dieser Drehwinkel verifiziert werden. Das Drehmoment verschwindet entsprechend bzw. fällt auf einen Wert nahe 0. Erst nach ca. 0,3 s baut sich wieder ein Drehmoment auf, wenn die Antriebswelle das Spiel durchlaufen hat und die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied in die andere Richtung bewegt. Der zeitliche Verlauf 330 des Drehmoments weist demnach einen horizontalen Ast nahe um den Wert 0 auf. Zudem weist er einen Nulldurchgang bzw. einen Wechsel des Vorzeichens auf. Dieser Nulldurchgang bzw. Vorzeichenwechsel folgt dem Richtungswechsel der Drehrichtung der Antriebswelle. Der horizontale Ast, der Nulldurchgang bzw. Vorzeichenwechsel können zusätzlich zum Erkennen des Durchlaufens des Spiels der antriebsseitigen Kupplung genutzt werden, bzw. zum Erkennen des Zeitraums, an dem der Drehmomentwert zur Nullpunktkalibration gemessen werden kann.
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Während des Zeitraums von ca. 0,3 s, in denen die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung durchläuft und das Drehmoment verschwindet bzw. einen Wert nahe 0 annimmt, wird das Drehmoment gemessen. Der neue Nullpunkt kann dabei zum Beispiel als Mittelwert über den ermittelten Zeitraum festgestellt werden. Ebenso gut kann der Nullpunkt sich aus dem Wert in der Mitte des Zeitraums ergeben; oder als Mittelwert über ein Teilintervall innerhalb des identifizierten Zeitraums.
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Liegt der gemessene Wert in einem Toleranzband von -0,1 Nm bis +0,1 Nm, wird der Wert zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt. Liegt der Wert außerhalb des zuvor genannten Toleranzbandes, wird der Wert verworfen.
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Wie dem zeitlichen Verlauf 330 des Weiteren entnommen werden kann, steigt das Drehmoment bei Drehbewegungen zu größeren Drehwinkeln kurzfristig an (siehe z.B. die Spitze bei ca. 1,4 s oder 10,3 s) bzw. sackt bei Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln kurzfristig ab (vgl. die Spitzen bei ca. 6,3 bzw. 14,3 s). Das Drehmoment erhöht sich dabei kurzfristig auf 25 Nm bzw. sackt auf -25 Nm ab. Diese Spitzen des zeitlichen Verlaufs 330 sind auf ein Umklappen der Dichtlippe zurückzuführen. Das Umklappen erfordert ein zusätzliches Drehmoment von ca. 5 Nm. Das zusätzliche Drehmoment kann auch als Haftreibung aufgefasst werden. In anderen Ausführungsformen kann eine derartige Haftreibung auch auf andere Ursachen zurückzuführen sein, bspw. Anhaftungen an der Dichtlippe bzw. Ventilglieds. Die Haftreibung muss in der Regel zum Losbrechen des Ventilglieds aus einer Stellung aufgewendet, in der das Ventilglieds für eine längere Zeit befunden hat.
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4 fasst die zeitlichen Verläufe 300 und 310 in einem Verlauf 400 zusammen, der den Drehwinkel des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Kupplungswelle 160 als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt. Der untere Ast gehört dabei zu Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln, der obere Ast zu Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln. Der Verlauf 400 wird demnach beim Hin- und Herbewegen der Antriebswelle zwischen 1° und 10° gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen. Die Differenz der beiden Äste ist durch das Spiel der antriebsseitigen Kupplung gegeben und beträgt demgemäß 1°. Das Zurücksetzen des Ventilglieds durch die rückstellenden Kräfte der Dichtlippe führt dazu, dass die horizontalen Anteile des Verlaufs 400 nicht bei 1° bzw. 9° liegen, sondern bei 1,1° bzw. 8,9°.
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Nimmt der Drehwinkel des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Kupplungswelle 160 demnach den kleineren oder größeren dieser Werte beim Durchlaufen des dem kleineren oder größeren dieser Werte entsprechenden horizontalen Anteils des Verlaufs 400 an, durchläuft die Antriebswelle das Kupplungsspiel bzw. übt die Antriebstange kein Drehmoment auf die Kupplungswelle 160 bzw. die Drehmomentmesskupplung 150 aus. Dieser Zeitraum bzw. diese Momente können zur Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt werden. Die Kalibrierung kann dabei anhand der Drehwinkelwerte der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds von 1,1° oder 8,9° beim Durchlaufen des dem kleineren oder größeren dieser Werte entsprechenden horizontalen Anteils des Verlaufs 400 verifiziert werden. Diese Art der Verifikation ist nicht auf das Drehventil 100 beschränkt, sondern steht grundsätzlich für jedes Drehventil zur Verfügung, bei dem das drehbar gelagerte Ventilglied wieder etwas zurücksetzt, nachdem es in eine Richtung gedreht wurde und kein Drehmoment mehr auf das Ventilglied ausgeübt wird.
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5 fasst die zeitlichen Verläufe 300 und 330 in einem Verlauf 500 zusammen, der das Drehmoment als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt. Der untere Ast gehört dabei zu Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln, der obere Ast zu Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln. Der Verlauf 500 wird demnach beim Hin- und Herbewegen der Antriebswelle zwischen 1° und 10° im Uhrzeigersinn durchlaufen. Dabei äußert sich das Spiel der antriebsseitigen Kupplung in der Länge der horizontalen Anteile des Verlaufs 500, die um oder nahe bei der horizontalen 0-Linie liegen, die für ein verschwindendes Drehmoment steht. Die horizontalen Abschnitte überspannen - dem Spiel von ca. 1° entsprechend - ca. 1°. Zudem zeigt 5 ein Toleranzband 510 sowie ein weiteres Toleranzband 520. Das Toleranzband 510 liegt dabei innerhalb des breiter gefassten Toleranzbands 520.
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Die Länge eines oder beider horizontalen Abschnitte des Verlaufs 500, die nahe an der 0-Linie liegen, kann einerseits dazu verwendet werden, das Durchlaufen des Spiels zu verifizieren. Andererseits können Werte, die das Drehmoment beim Durchlaufen der horizontalen Abschnitte annimmt, jeweils zur Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 herangezogen werden. Sie können jedoch auch miteinander verglichen werden, um die Kalibrierung einerseits zu verifizieren bzw. deren Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.
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Die Nullpunktkalibration kann bspw. mit den Drehmomentwerten eines der horizontalen Äste des Verlaufs 500 durchgeführt werden, vorzugsweise durch Bildung eines Mittelwerts über die Werte, die im mittleren Drittel des einen der horizontalen Äste liegen. Dabei wird u.a. geprüft, ob der Mittelwert innerhalb des Toleranzbands 510 liegt. Liegt der Mittelwert innerhalb des Toleranzbands 510, wird die Nullpunktkalibration mit dem Mittelwert durchgeführt. Liegt der Mittelwert außerhalb des Toleranzbands 510 wird die Nullpunktkalibration nicht ausgeführt, sondern in einem weiteren Schritt geprüft, ob der Mittelwert innerhalb oder außerhalb des Toleranzbands 520 liegt. Liegt der Mittelwert außerhalb des Toleranzbands 520 kann eine Fehlfunktion bzw. Störung des Drehventils 100 bzw. einer seiner Komponenten nicht ausgeschlossen werden. In diesem Fall wird mit den Mitteln 190 zum Ausgeben einer Fehlermeldung eine entsprechende Fehlermeldung bspw. an eine Leitwarte oder Vorrichtung, mit der ein Bediener das Drehventil 100 steuern kann, ausgegeben. Liegt der Mittelwert außerhalb des Toleranzbands 510 aber innerhalb des Toleranzbands 520, wird das Verfahren zur Nullpunktkalibration wiederholt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass einmalige statistische Ausreißer zu einer Fehlermeldung und unnötigem Wartungsaufwand führen.
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Das soeben beschriebene Verfahren zur Nullpunktkalibration ist nicht auf eine Nullpunktkalibration mit dem zuvor beschriebenen Mittelwert beschränkt, sondern kann allgemein für jeden Drehmomentwert durchgeführt werden, der für eine Nullpunktkalibration in Betracht gezogen wird. Dies gilt insbesondere für die Werte, die im Zuge der Beschreibung der 3A bis 4 bereits genannt wurden und auch im Folgenden noch genannt werden.
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6A zeigt - ähnlich zu dem zeitlichen Verlauf 300 - einen zeitlichen Verlauf 600 des Drehwinkels der Antriebswelle sowie einen zeitlichen Verlauf 610 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds für eine weitere Ausführungsform des Drehventils 100, die nahezu identisch mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist. Die weitere Ausführungsform des Drehventils 100 unterscheidet sich lediglich durch die Größe des Spiels der antriebsseitigen Kupplung. Es beträgt nicht 1°, sondern 2°.
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Zudem zeigt 6B die Differenz 620 der zeitlichen Verläufe 600 und 610.
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6 C zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 630 des Drehmoments, das vom pneumatischen Antrieb 140 auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird.
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Die zeitlichen Verläufe 600 bis 630 sind den zeitlichen Verläufen 300 bis 330 sehr ähnlich. Insbesondere ist der zeitliche Verlauf 600 identisch zu dem zeitlichen Verlauf 300, d.h. die Antriebswelle wird in der gleichen Art und Weise bewegt wie zur Aufnahme der Verläufe, die in den 3A bis 3C dargestellt sind. Der Vergleich der Verläufe 300 bis 330 und 600 bis 630 zeigt deshalb, welchen Einfluss das verlängerte Kupplungsspiel hat. Das verlängerte Kupplungsspiel äußert sich insbesondere dadurch, dass die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied der Antriebswelle nicht mit einer Verzögerung von 1°, sondern mit einer Verzögerung von ca. 2° folgt.
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Aufgrund des verlängerten Kupplungsspiels verlängert sich auch der Zeitraum, in dem die Kalibrierung bzw. die Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 vorgenommen werden kann. Wie den zeitlichen Verläufen 600 bis 630 entnommen werden kann, und zwar wiederum anhand der Tatsache, dass sich der Drehwinkel der Antriebswelle verändert, während der Drehwinkel des Ventilglieds unverändert bleibt, bzw. dass sich die Differenz der Drehwinkel verändert, durchläuft die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung bspw. im Zeitraum von ca. 6 bis 6,7 s. Das Drehmoment verschwindet entsprechend bzw. fällt auf einen Wert nahe 0. Erst nach ca. 0,7 s baut sich wieder ein Drehmoment auf, wenn die Antriebswelle das Spiel von 2° durchlaufen hat und die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied in die andere Richtung bewegt. Während des Zeitraums von ca. 0,7 s, in denen die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung durchläuft und das Drehmoment verschwindet bzw. einen Wert nahe 0 annimmt, wird das Drehmoment gemessen und zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 der weiteren Ausführungsform des Drehventils 100 genutzt.
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7 fasst die zeitlichen Verläufe 600 und 630 in einem Verlauf 700 zusammen, der das Drehmoment als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt. Der untere Ast gehört dabei zu Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln, der obere Ast zu Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln. Der Verlauf 700 wird demnach beim Hin- und Herbewegen der Antriebswelle zwischen 1° und 10° im Uhrzeigersinn durchlaufen. Dabei äußert sich das verlängerte Spiel der antriebsseitigen Kupplung in längeren horizontalen Anteilen des Verlaufs 700 um oder nahe bei der horizontalen 0-Linie, die für ein verschwindendes Drehmoment steht. Die horizontalen Abschnitte überspannen ca. 2°, was genau dem verlängerten Kupplungsspiel von ca. 2° entspricht und - wie zuvor (vgl. 5 und die zugehörige Figurenbeschreibung) - ebenfalls zur Verifikation der Kalibrierung bzw. der Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit derselben genutzt werden kann.
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8A zeigt den zeitlichen Verlauf 800 des Drehwinkels der Antriebswelle sowie den zeitlichen Verlauf 810 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds, wobei zur Aufnahme der Verläufe 800 und 810 die Ausführungsform des Drehventils 100 verwendet wurde, mit der die Verläufe 300 bis 330 aufgenommen wurden.
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Zudem zeigt 8B die Differenz 820 der zeitlichen Verläufe 800 und 810.
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8C zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 830 des Drehmoments, das vom Antrieb 140 dabei auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird.
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Die Verläufe 800, 810, 820 und 830 sind sehr ähnlich zu den Verläufen 300, 310, 320 und 330. Der Vergleich der zeitlichen Verläufe 300 und 800 zeigt, dass lediglich die Pausen von ca. 1 s bei den Richtungswechseln ausgelassen wurden und auch die zweite und alle weiteren Drehbewegungen mit ca. 2,3 °/s ausgeführt wurden. Der Vergleich zeigt auch, dass die Pausen bzw. die veränderte Drehgeschwindigkeit für die Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 nicht von entscheidender Bedeutung sind. Die Messung des Drehmomentwerts, der zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt wird, kann - nahezu wie zuvor (vgl. 3A bis 3C sowie die zugehörige Figurenbeschreibung) - weiterhin in einem Zeitfenster von ca. 0,4 s vorgenommen werden, das einem Wechsel der Drehrichtung folgt, wie bspw. bei den Drehrichtungswechseln zu den Zeitpunkten bei 5, 9 oder 13 s. Die etwas längere Zeitspanne von 0,4 s ist dabei der geringeren Drehgeschwindigkeit von 2,3 °/s zuzurechnen (bei einer Drehgeschwindigkeit von 3 °/s wie bei der Aufnahme der zeitlichen Verläufe 300 bis 330 betrug die Zeitspanne 0,3 s).
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Die zuvor genannten Pausen sind in diesem Beispiel nicht von entscheidender Bedeutung, da das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. die Ventilstange bzw. die Kupplungswelle 160 einerseits unmittelbar einer Veränderung des Drehmoments, das auf das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. die Ventilstange bzw. die Kupplungswelle 160 ausgeübt wird, folgt und die Trägheit der Komponenten bei den betrachteten Geschwindigkeiten nicht bzw. nicht in besonderem Maße ins Gewicht fällt. Bei Ausführungsformen des Drehventils 100, die eine größere Trägheit aufweisen oder bei schnelleren Drehbewegungen, kann es jedoch vorteilhaft sein abzuwarten, bis sich das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. die Ventilstange bzw. die Kupplungswelle 160 nicht mehr bewegt, bevor die Richtungsumkehr zum Durchlaufen des Spiels der Kupplung eingeleitet wird. Die Drehbewegung des Ventilglieds kann dabei bspw. mit dem Drehwinkelsensor im Ventilgehäuse überprüft werden. Auf diese Weise lässt sich bspw. sicherstellen, dass das Spiel nicht zu schnell durchlaufen wird.
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9A zeigt den zeitlichen Verlauf 900 des Drehwinkels der Antriebswelle sowie den zeitlichen Verlauf 910 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds, wobei zur Aufnahme der Verläufe 900 und 910 wiederum die Ausführungsform des Drehventils 100 verwendet wurde, mit der die Verläufe 300 bis 330 bzw. 800 bis 830 aufgenommen wurden.
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Zudem zeigt 9B den zeitlichen Verlauf 920 der Differenz der zeitlichen Verläufe 900 und 910.
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9C zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 930 des Drehmoments, das vom Antrieb 140 dabei auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird.
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Der Vergleich der zeitlichen Verläufe 300, 800 und 900 zeigt, dass diesmal nicht nur die Pausen von ca. 1 s bei den jeweiligen Richtungswechseln ausgelassen wurden, sondern auch die Amplitude der Drehbewegungen verändert wurde. Anstatt die Antriebswelle abwechselnd zwischen den Drehwinkeln von 1° und 10° hin und herzubewegen, wird die Antriebswelle zunächst mit einer Geschwindigkeit von ca. 6,3 °/s von 1° auf 20° gedreht, danach mit einer Geschwindigkeit von ca. 3,3 °/s zurück auf 10° und anschließend mit einer Geschwindigkeit von ca. 6,3 °/s auf 60° und hiernach wieder mit einer Geschwindigkeit von ca. 8 °/s in die entgegengesetzte Richtung. Die unterschiedlichen Amplituden führen demnach vornehmlich zu variierenden Drehgeschwindigkeiten. Den unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten entsprechend, beträgt die Zeitspanne, die zum Messen des für die Nullpunktkalibration verwendeten Drehmomentmesswerts zur Verfügung steht, lediglich ca. 0,3 s nach dem Richtungswechsel bei 4 s, ca. 0,2 s nach dem Richtungswechsel bei 7 s und ca. 0,1 s nach dem Richtungswechsel bei ca. 13 s.
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Der Verlauf 930 zeigt zudem, dass die Unterschiede in den betrachteten Drehgeschwindigkeiten nahezu keinen Einfluss auf die Werte der Drehmomente haben, die zur Bewegung des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Ventilstange bzw. der Kupplungswelle 160 überwunden bzw. aufgebracht werden müssen.
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10 zeigt einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1000 zur Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 des Drehventils 100.
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Das Verfahren beginnt mit Schritt 1010, in dem die Verfahrensparameter vorgegeben werden. Insbesondere werden dabei ein erstes Drehmoment vorgegeben und ein erstes Zeitintervall, in dem der pneumatische Antrieb 140 das drehbar gelagerte Ventilglied des Drehventils 100 mit dem ersten Drehmoment beaufschlagt, um das Ventilglied in eine erste Richtung zu drehen. Des Weiteren wird ein zweites Drehmoment vorgegeben und ein zweites Zeitintervall, in dem der pneumatische Antrieb 140 das drehbar gelagerte Ventilglied des Drehventils 100 mit dem zweiten Drehmoment beaufschlagt, um das Ventilglied entgegengesetzt zur ersten Richtung zu drehen.
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In Schritt 1020 wird mithilfe des pneumatischen Antriebs 140 das drehbar gelagerte Ventilglied des Drehventil 100 während des ersten Zeitintervalls mit dem ersten Drehmoment beaufschlagt.
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In Schritt 1030 wird die Beaufschlagung des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem ersten Drehmoment beendet.
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In Schritt 1040 wird mithilfe des pneumatischen Antriebs 140 das drehbar gelagerte Ventilglied mit dem zweiten Drehmoment beaufschlagt, wobei das Spiel der antriebsseitigen Kupplung durchlaufen wird. Beim Durchlaufen des Spiels der antriebsseitigen Kupplung wird das Drehmoment gemessen. Das Durchlaufen des Spiels kann dabei mithilfe der Drehwinkelsensoren für die Antriebswelle und die Ventilstange überprüft werden.
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In Schritt 1050 wird das Beaufschlagen des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem zweiten Drehmoment während des zweiten Zeitintervalls fortgesetzt.
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Der in Schritt 1040 gemessene Wert des Drehmoments wird in Schritt 1060 zur Kalibrierung bzw. Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt.
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Beim Durchlaufen des Spiels der antriebsseitigen Vierkantkupplung entsteht ein lastfreier Zustand der Drehmomentmesskupplung 150. Der dabei gemessene Wert des Drehmoments kann demnach zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 herangezogen werden. Das Verfahren lässt sich nach Bedarf wiederholen.
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Glossar
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Drehventil
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Ein Drehventil ist ein Stellventil mit einem drehbar gelagerten Ventilglied. Das drehbar gelagerte Ventilglied kann als Klappe oder durchbohrte Kugel ausgebildet sein, wobei man das Drehventil im ersten Fall als Klappenventil und im zweiten Fall als Kugelhahn bezeichnet.
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Kupplung
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Eine Kupplung stellt eine Verbindung zweier Wellen dar, z.B. die Verbindung einer Antriebs- und einer Ventilstange eines Ventilglieds eines Drehventils. Durch die Verbindung kann zwischen den beiden Wellen Rotation und damit Drehmoment übertragen werden.
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Spiel / Drehspiel
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Ein Spiel ist ein fertigungs- und anwendungsbedingter Bewegungsfreiraum, in dem sich ein mechanisches Bauteil während oder nach der Montage gegen ein anderes Bauteil frei bewegen lässt. Ein Spiel ermöglicht nicht nur die Montage bzw. Verbindung mechanischer Bauteile, sondern kann auch dazu genutzt werden, um bspw. lastfreie Zustände ohne Kraftnebenschlüsse zu gewährleisten.
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Bei der Verbindung zweier Wellen, die sich um eine gemeinsame Drehachse drehen, treten in der Regel sowohl radiale als auch axiale Spiele auf. Ein radiales Spiel stellt einen Spielraum in radialer Richtung bezüglich der Drehachse dar. Ein axiales Spiel stellt ein Verkippen bezüglich der Drehachse dar. Zudem weist eine derartige Verbindung in der Regel ein Drehspiel auf, d.h. die Wellen können um die Drehachse um ihr Drehspiel gegeneinander verdreht werden, ohne dass eine Kraft von der einen auf die andere Welle übertragen wird. Im Rahmen dieser Anmeldung werden nur Kupplungen bzw. Verbindungen zweier Wellen betrachtet, deren Spiel ein Drehspiel aufweist.
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Ventilglied
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Ein Ventilglied ist ein Element eines Ventils, mit dem das Ventil geschlossen werden kann. Bei einem Klappenventil umfasst das Ventilglied eine Ventilstange und eine Klappe, die starr mit der Ventilstange verbunden ist. Durch Drehen der Ventilstange kann die Klappe gegen eine Durchflussöffnung des Klappenventils gepresst werden, um die Durchflussöffnung zu verschließen.
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Bei einem Kugelhahn umfasst das Ventilglied ebenfalls eine Ventilstange, welche jedoch mit einer durchbohrten Kugel so verbunden ist, dass die durchbohrte Kugel mit der Ventilstange gedreht werden kann. Dabei ist die Durchbohrung der Kugel so angeordnet, dass sie in einer Schließstellung von einem Gehäuse des Ventils dicht verschlossen wird und in einer Offenstellung die Durchflussöffnung des Ventils bildet.
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Ventilsignatur
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Eine Ventilsignatur stellt ein Bündel aus Hub-Druck-Kurven in einem Hub-Druck-Diagramm dar. Hub-Druck-Kurven sind Funktionen, mit denen einem Hub bzw. einer Drehstellung (z.B. eines Ventilglieds) ein Druck (z.B. eines pneumatischen Antriebs eines Stellventils) zugeordnet werden kann. Eine Ventilsignatur wird in vielen Fällen mithilfe einer Belüftungskurve und einer Entlüftungskurve definiert. Die Hub-Druck-Kurven einer Ventilsignatur liegen innerhalb des Bandes, das durch die Be- und Entlüftungskurve begrenzt wird. Diese fallen reibungsbedingt nicht zusammen und formen eine Hysterese. Die Definition einer Ventilsignatur kann durch Angabe einer Mittelwertkurve ergänzt werden.-
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Wägezelle
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Wägezellen sind eine Sonderform der Kraftaufnehmer (Kraftsensoren) zum Aufbau von Wägevorrichtungen, d. h. zum Verwiegen mit Waagen. Sie sind in Gramm (g), Kilogramm (kg) oder Tonnen (t) kalibriert, nicht in Newton (N) wie Kraftaufnehmer. Wägezellen enthalten wie Kraftaufnehmer meist einen Federkörper, d. h. ein geeignet geformtes Stück Metall, dessen Geometrie sich unter Einwirkung des Gewichts leicht verändert. Diese elastische Verformung wird von Dehnungsmessstreifen oder anderen, geeigneten Messwandlern (magnetisch, optisch, kapazitiv) erfasst und in ein elektrisches Signal umgeformt.
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Bezugszeichen
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- 100
- Drehventil
- 110
- Ventilgehäuse
- 120
- Öffnung
- 130
- weitere Öffnung
- 135
- Drehachse
- 140
- Antrieb
- 150
- Drehmomentmesskupplung
- 160
- Kupplungswelle
- 170
- Joch
- 180
- Magnetventil
- 190
- Mittel zum Ausgeben einer Fehlermeldung
- 200
- Gehäuse
- 210
- Vierkant
- 220
- elektrischer Anschluss
- 230
- elektrischer Anschluss
- 240
- Drehmomentmesswelle
- 250
- antriebsseitiger Drehmomentsensor
- 251
- Polring
- 252
- Magnetfeldsensor
- 260
- ventilgliedseitiger Drehwinkelsensor
- 265
- Hülse
- 270
- ventilgliedseitiger Anschluss
- 280
- verjüngter Teil
- 290
- Platine
- 300
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle
- 310
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
- 320
- Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310
- 330
- zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
- 400
- Verlauf eines Drehwinkels eines drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Ventilstange als Funktion eines Drehwinkels einer Antriebswelle
- 500
- Verlauf eines Drehmoments als Funktion eines Drehwinkels einer Antriebswelle
- 510
- Toleranzband
- 520
- weiteres Toleranzband
- 600
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle
- 610
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
- 620
- Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310
- 630
- zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
- 700
- Verlauf eines Drehmoments als Funktion eines Drehwinkels einer Antriebswelle
- 800
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle
- 810
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
- 820
- Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310
- 830
- zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
- 900
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle
- 910
- zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
- 920
- Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310
- 930
- zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
- 1000
- Verfahren
- 1010
- Vorgeben von einem ersten und zweiten Drehmoment sowie eines ersten und zweiten Zeitintervalls
- 1020
- Beaufschlagen eines drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem ersten Drehmoment während des ersten Zeitintervalls
- 1030
- Beenden des Beaufschlagens des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem ersten Drehmoment
- 1040
- Beaufschlagen des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem zweiten Drehmoment
- 1050
- Beaufschlagen des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem zweiten Drehmoment während des zweiten Zeitintervalls
- 1060
- Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors
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zitierte Literatur
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zitierte Patentliteratur
