DE102022124706A1

DE102022124706A1 - Verfahren zum Betreiben eines Membranventils und Membranventil

Info

Publication number: DE102022124706A1
Application number: DE102022124706.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Krippner; Sagar Agarwal; Franziska Maier
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-03-28
Also published as: US20240102578A1; CN117759742A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Membranventils (10) angegeben. Das Membranventil (10) ein Fluidgehäuse (14), in dem ein Ventilsitz (16) ausgebildet ist, eine Membran (26), die zum Freigeben oder Verschließen eines Strömungsweges durch das Fluidgehäuse (14) mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und mindestens zwei Sensoren aus folgender Gruppe: einem kapazitiven Sensor (40), welcher derart angeordnet ist, dass sich die Membran (26) zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors (40) befindet, einem Temperatursensor (46), einem Drucksensor (52), einem Kraftsensor (48), einem pH-Sensor (54), einem Spannungssensor (50) und einem Vibrationssensor (56), wobei aus den Messwerten der unterschiedlichen Sensoren (40, 46, 48, 50, 52, 54, 56) mittels eines Datenfusions-Algorithmus zu mindestens zwei Zeitpunkten ein Indexwert (I) gebildet wird, wobei anhand einer Veränderung des Indexwerts (I) ein Grad des Verschleißes der Membran (26) bestimmt wird. Des Weiteren wird ein Membranventil (10) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Membranventils und ein Membranventil.
Bei Membranventilen treten in der Regel im Laufe der Zeit Verschleißerscheinungen in der Membran auf, beispielsweise eine Degradation oder Ausdünnung des Materials, eine Änderung der Geometrie oder Risse, welche die Eigenschaften der Membran negativ beeinflussen oder zu einer Leckage führen können. Derartige Verschleißerscheinungen werden zum Teil durch die im Betrieb des Membranventils herrschenden Bedingungen wie Temperatur, Druck und Durchfluss begünstigt. Bei der Dosierung von Säuren oder anderen aggressiven Chemikalien oder Gasen kann das Material der Membran über einen längeren Zeitraum betrachtet von den verwendeten Medien angegriffen werden.
Es ist daher notwendig, die Membran regelmäßig auszutauschen.
Da die Membran jedoch nicht zugänglich ist, ohne das Ventil zu demontieren, ist es schwierig, während des Betriebs Informationen über einen Zustand der Membran zu erhalten und eine verbleibende Restlebensdauer zuverlässig vorauszusagen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, den Zustand einer Membran in einem Membranventil unter Berücksichtigung verschiedener Einflussparameter zu detektieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Membranventils mit einem Fluidgehäuse, in dem ein Ventilsitz ausgebildet ist, einer Membran, die zum Freigeben oder Verschließen eines Strömungsweges durch das Fluidgehäuse mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, mit mindestens zwei Sensoren aus der folgenden Gruppe: einem kapazitiven Sensor, welcher derart angeordnet ist, dass sich die Membran zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors befindet, einem Temperatursensor, einem Drucksensor, einem Kraftsensor, einem pH-Sensor, einem Spannungssensor und einem Vibrationssensor. Aus den Messwerten der unterschiedlichen Sensoren wird mittels eines Datenfusions-Algorithmus zu mindestens zwei Zeitpunkten ein Indexwert gebildet, wobei anhand einer Veränderung des Indexwerts ein Grad des Verschleißes der Membran bestimmt wird.
Durch Auswertung der Ausgangswerte der Sensoren kann folglich ein Zustand der Membran abgeschätzt werden, ohne dass die Membran selbst inspiziert werden muss.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass sich bei gleichen Bedingungen die von den verschiedenen Sensoren gemessenen Werte bei der Betätigung des Membranventils in gleicher Weise wiederholen.
Bei Verschleiß der Membran kommt es zu Änderungen der Konformität, der Leitfähigkeit des Membranmaterials oder zu Druckänderungen aufgrund von Rissen, was zu einer Änderung der von den Sensoren gemessenen Werte führt. Diese Änderungen fließen erfindungsgemäß in den Indexwert ein und werden genutzt, um eine Vorhersage über die Lebensdauer der Membran zu treffen.
Zudem wird durch hohe Temperaturen bzw. Temperaturschwankungen, einen hohen Fluiddruck, hohe auf die Membran wirkende Kräfte bzw. in der Membran auftretende Spannungen, den Kontakt mit aggressiven Medien und/oder Vibrationen im Membranventil ein Verschleiß der Membran begünstigt.
Die unterschiedlichen Sensoren sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die Messwerte Rückschlüsse auf einen Zustand der Membran ermöglichen. Beispielsweise sind die Sensoren in Kontakt mit der Membran oder in der Nähe der Membran angeordnet.
Für den kapazitiven Sensor stellt die Membran insbesondere eine Kondensatorplatte dar, sodass der kapazitive Sensor auf Bewegungen und Materialveränderungen der Membran reagiert. Bewegungen und Materialänderungen der Membran lassen sich insbesondere als Ausgangssignal des kapazitiven Sensors messen. Jede Änderung der Membran ändert den Kapazitätswert des Sensors.
Vorzugsweise befindet sich ein Bereich der Membran, der bei der Betätigung des Membranventils ausgelenkt wird, vollständig im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors. Dies trägt zu einem besonders genauen Messresultat bei.
Der ausgelenkte Bereich der Membran hat vorzugsweise keinen Kontakt zum Sensor.
Je mehr unterschiedliche Sensoren zum Bilden des Indexwertes berücksichtigt werden, umso zuverlässiger lässt sich ein Verschleiß der Membran anhand des Indexwertes bestimmen.
Der Indexwert ist insbesondere ein dimensionsloser Wert, der einen Zustand der Membran widerspiegelt.
Unter Verschleiß sind das Auftreten von Rissen, irreversible Geometrieveränderung, Materialdegradation bzw. eine Ausdünnung des Materials etc. zu verstehend.
Vorzugsweise wird jeweils in festgelegten Zeitabständen ein neuer Indexwert gebildet, wobei die Zeitabstände insbesondere gleichbleibend sind.
Alternativ ist denkbar, einen neuen Indexwert zu bilden, wenn sich der Messwert eines der Sensoren ändert.
Der Grad des Verschleißes kann basierend auf dem Indexwert bestimmt werden, indem der gebildete Indexwert mit in einer Lookup-Tabelle hinterlegten Werten verglichen wird. Die hinterlegten Werte sind beispielsweise individuell für bestimmte Membrantypen und/oder Ventiltypen mittels Versuchen ermittelt worden. Es ist auch denkbar, dass die hinterlegten Werte mittels Simulationen ermittelt wurden. Alternativ können die hinterlegten Werte auf in Zusammenhang mit einer ausgetauschten Membran bereits gemessenen Werten beruhen.
Gemäß dem Datenfusions-Algorithmus können die Messwerte der unterschiedlichen Sensoren mit einer definierten Gewichtung in den Indexwert einfließen. Anders ausgedrückt können die Messwerte der unterschiedlichen Sensoren unterschiedlich gewichtet werden. Die Gewichtung spiegelt den Einfluss des Messwertes auf den Verschleiß wider. Durch die Gewichtung kann die Zuverlässigkeit der Bestimmung des Verschleißes anhand des Indexwertes zusätzlich verbessert werden.
Es ist denkbar, dass die Gewichtung einzelner Messwerte bei verschiedenen Anwendungsfällen unterschiedlich ist. Beispielsweise wird der Messwert des pH-Sensors bei der Verwendung eines aggressiven Mediums wie Säure stärker gewichtet als bei der Verwendung von Wasser, da ein aggressives Medium den Verschleiß stärker begünstigt. Auch der Messwert des Temperatursensors wird beispielsweise bei Verwendung eines aggressiven Mediums stärker gewichtet, da hohe Temperaturen die Aggressivität eines Mediums noch zusätzlich verstärken können.
Zudem ist auch eine variable Gewichtung denkbar, das heißt, die Gewichtung einzelner Messwerte wird im Laufe des Betriebs geändert. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass sich der Einfluss bestimmter Parameter auf den Verschleiß der Membran ändert, wenn bereits ein gewisser Verschleiß stattgefunden hat. Beispielsweise wird die Gewichtung der Messwerte des Drucksensors, des Kraftsensors und/oder des Spannungssensors erhöht, wenn bereits ein gewisser Verschleiß der Membran stattgefunden hat. Des Weiteren kann die Gewichtung eines Messwertes verändert werden, wenn sich der Messwert stark ändert, wenn beispielsweise eine Temperatur stark ansteigt oder ein Druck stark abfällt etc. Derartige abrupte Änderungen können auf ein vorzeitiges Membranversagen hindeuten.
Die einzelnen Messwerte können jeweils mit einem eigenen Gewichtungsfaktor multipliziert werden, wobei die Summe der Gewichtungsfaktoren auf einen definierten Wert begrenzt ist, beispielsweise auf den Wert 1. Eine höhere Gewichtung eines Wertes hat somit automatisch eine niedrigere Gewichtung der übrigen Werte zur Folge, wodurch die Auswirkung der Gewichtung zusätzlich verstärkt wird.
Beispielsweise wird gemäß dem Datenfusions-Algorithmus aus den Messwerten der unterschiedlichen Sensoren jeweils ein Mittelwert gebildet und die unterschiedlich gewichteten Mittelwerte werden aufaddiert, um den Indexwert zu bilden. Der Mittelwert kann aus den Messwerten ab Beginn der Messung gebildet werden oder aus den Messwerten seit dem letztmaligen Bilden des Indexwertes. Durch Bilden eines Mittelwertes wird berücksichtigt, dass nicht zwingend alle Sensoren in gleichen Zeitabständen neue Werte liefern. Anders ausgedrückt können die Sensoren synchron oder asynchron neue Werte liefern.
Gemäß einem Aspekt wird ein gewichtetes arithmetisches Mittel der Sensorwerte gebildet.
Die Sensoren liefern beispielsweise zeitdiskrete Messwerte. Auf diese Weise ist die auszuwertende Datenmenge begrenzt bzw. die Auswertung der Daten ist vereinfacht. Insbesondere wenn jeweils in festgelegten Zeitabständen ein neuer Indexwert gebildet wird, sind zeitdiskrete Messwerte ausreichend.
Gemäß einem Aspekt wird bei einem Austausch der Membran ein Erstindexwert gebildet, der einen Neuzustand der Membran widerspielgelt, wobei die später gebildeten Indexwerte mit dem Erstindexwert verglichen werden und anhand einer Abweichung eines Indexwertes von dem Erstindexwert ein Grad des Verschleißes der Membran bestimmt wird. Durch Vergleich mit dem Erstindexwert lässt sich ein Grad des Verschleißes der Membran besonders einfach bestimmen.
Indem der Indexwert wiederholt in festgelegten Zeitabständen gebildet wird, lässt sich anhand einer Entwicklung des Indexwertes im Voraus abschätzen, wann ein Austausch der Membran sinnvoll ist. Auf diese Weise lässt sich eine erforderliche Wartung besser planen.
Beispielsweise wird ein maximaler Wert für den Indexwert definiert, wobei vor Erreichen des maximalen Indexwertes ein Austausch der Membran erforderlich ist.
Auf die von den verschiedenen Sensoren ausgegebenen Werte wird vorzugsweise jeweils ein Algorithmus maschinellen Lernens, beispielsweise ein Kalman-Filter angewendet, und der Datenfusions-Algorithmus bildet einen weiteren Indexwert anhand der mittels des Algorithmus maschinellen Lernens bzw. des Kalman-Filters abgeschätzten Messwerte. Mittels eines Algorithmus maschinellen Lernens wie einem Kalman-Filter wird ein Wert basierend auf einem Systemmodel, welches das zu messende System simuliert, und unter Berücksichtigung einer vorherigen Messung geschätzt. Das bedeutet, der Algorithmus maschinellen Lernens benutzt einen Messwert aus einer vorherigen Messung um eine a-priori Vorhersage zu treffen. Dadurch lässt sich der Algorithmus maschinellen Lernens nutzen, um eine Momentaufnahme des Verschleißes abzubilden. Wenn ein tatsächlich gemessener Wert von dem geschätzten Wert abweicht, deutet dies auf einen Verschleiß der Membran hin.
Anders ausgedrückt werden ein Indexwert, der auf direkt gemessenen Werten beruht, und ein Indexwert, der auf mittels eines Algorithmus maschinellen Lernens geschätzten Werten beruht, parallel zueinander gebildet. Die beiden parallel gebildeten Indexwerte bilden somit einen Zustand der Membran zum selben Zeitpunkt ab. Anhand des Grades der Abweichung lässt sich abschätzen, wie schnell ein Verschleiß voranschreitet.
Die Anwendung des Algorithmus maschinellen Lernens kann auch dazu beitragen, einen Einfluss von Fehlern in den Messwerten, insbesondere durch Rauschen und andere Störungen, zu reduzieren.
Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch ein Membranventil mit einem Fluidgehäuse, in dem ein Ventilsitz ausgebildet ist, einer Membran, die zum Freigeben oder Verschließen eines Strömungsweges durch das Fluidgehäuse mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und einem beweglich gelagerten Antriebsstößel, der an der Membran befestigt ist. Das Membranventil hat mindestens zwei Sensoren aus der folgenden Gruppe: einem kapazitiven Sensor, welcher derart angeordnet ist, dass sich die Membran zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors befindet, einem Temperatursensor, einem Drucksensor, einem Kraftsensor, einem pH-Sensor, einem Spannungssensor und einem Vibrationssensor. Das Membranventil weist eine Analyseeinheit auf, die eingerichtet ist, anhand der Messwerte der Sensoren einen Indexwert nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zu berechnen. Das erfindungsgemäße Membranventil hat somit dieselben Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
Vorzugsweise ist der Temperatursensor eingerichtet, eine Temperatur innerhalb des Membranventils in der Umgebung der Membran zu messen und/oder der Drucksensor umfasst auf die Membran aufgebrachte Leiterbahnen und/oder der Kraftsensor ist am Antriebsstößel angeordnet und/oder der Spannungssensor umfasst auf oder in der Membran angeordnete Dehnungsmessstreifen und/oder der Vibrationssensor ist ein magnetischer Sensor. Sämtliche Sensoren dienen somit dazu, Belastungen der Membran bzw. Spannungen in der Membran direkt oder indirekt zu bestimmen. Diese Belastungen, die einen Verschleiß der Membran begünstigen, fließen in den Indexwert ein.
Die Analyseeinheit kann in einem Steuerkopf des Membranventils integriert sein oder an das Membranventil oder den Steuerkopf des Membranventils extern anschließbar sein. Eine integrierte Analyseeinheit hat den Vorteil, dass der Indexwert kontinuierlich berechnet werden kann. Eine extern anschließbare Analyseeinheit hat hingegen den Vorteil, dass dieselbe Analyseeinheit zur Auswertung mehrerer unterschiedlicher Membranventile dienen kann, indem die Analyseeinheit bei Bedarf nacheinander an unterschiedliche Membranventile angeschlossen wird. Auf diese Weise lassen sich die Kosten zur Herstellung des Membranventils deutlich reduzieren.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 ein erfindungsgemäßes Membranventil,
- 2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Messprinzips eines kapazitiven Sensors,
- 3 eine Empfängerlage des kapazitiven Sensors,
- 4 eine Senderlage des kapazitiven Sensors,
- 5 eine Erdungslage des kapazitiven Sensors,
- 6 ein Schaubild zur Veranschaulichung einer Berechnung eines Indexwertes aus den Messwerten verschiedener Sensoren,
- 7 ein Schaubild zur Veranschaulichung einer Anpassung eines Gewichtungsfaktors, und
- 8 ein Schaubild zur Veranschaulichung einer Plausibilisierung eines Indexwertes.

1 zeigt einen Teil eines Membranventils 10 in einer Schnittdarstellung.
Das Membranventil 10 hat ein Fluidgehäuse 14, in dem ein Ventilsitz 16 ausgebildet ist.
Ein Strömungsweg durch das Fluidgehäuse 14 erstreckt sich ausgehend von einem Fluideinlass 18 zum Ventilsitz 16 und über diesen hinweg zu einem Fluidauslass 20.
Auf das Fluidgehäuse 14 ist ein Membransockel 22 eines Ventilgehäuses 24 aufgesetzt.
Das Membranventil 10 umfasst des Weiteren eine Membran 26, die zum Freigeben oder Verschließen des Strömungsweges durch das Fluidgehäuse 14 mit dem Ventilsitz 16 zusammenwirkt.
Ein beweglich gelagerter, insbesondere linear verschiebbarer Antriebsstößel 28 des Membranventils 10 ist mit der Membran 26 gekoppelt, derart, dass durch eine Bewegung des Antriebsstößels 28 die Membran 26 vom Ventilsitz 16 abgehoben wird bzw. gegen den Ventilsitz 16 gedrückt wird.
Der Antriebsstößel 28 erstreckt sich ausgehend von der Membran 26 in einen Steuerkopf 30 hinein, in dem auch ein Ventilantrieb (nicht dargestellt) untergebracht ist.
Im Ausführungsbeispiel ist an der Membran 26 ein Angriffselement 32 angeformt, wobei der Antriebsstößel 28 über das Angriffselement 32 an der Membran 26 angreift.
Optional umfasst der Antriebsstößel 28 ein Druckverteilungselement 34, um einen vom Antriebsstößel 28 auf die Membran 26 bewirkten Druck besser zu verteilen.
Die Membran 26 ist im Ausführungsbeispiel zweilagig ausgeführt.
Zumindest eine der beiden Lagen 36, 38 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material. Insbesondere besteht zumindest die Lage 38 auf der Trockenseite der Membran 26 aus elektrisch leitfähigem Material.
Alternativ kann die Membran 26 insgesamt aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein.
Beispielsweise ist das leitfähige Material Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, es sind jedoch auch andere Materialien denkbar.
Im Ausführungsbeispiel ist das Angriffselement 32 an der Lage 36 der Membran 26 angeformt, die zum fluidführenden Bereich des Membranventils 10 hin gerichtet ist.
Das Membranventil 10 umfasst des Weiteren einen kapazitiven Sensor 40.
Der kapazitive Sensor 40 umfasst eine mehrlagige Elektrode 42. Die einzelnen Lagen der Elektrode werden nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 5 im Detail beschrieben.
Der kapazitive Sensor 40 ist derart angeordnet, dass sich die Membran 26 zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors 40 befindet.
Konkret befindet sich ein bewegter Bereich der Membran 26, der bei der Betätigung des Membranventils 10 ausgelenkt wird, im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors 40.
Die Elektrode 42 des kapazitiven Sensors 40 ist an der vom Ventilsitz 16 abgewandten Seite der Membran 26 angeordnet.
Genauer gesagt ist die Elektrode 42 zwischen der Membran 26 und dem Membransockel 22 des Ventilgehäuses 24 angeordnet, insbesondere eingeklemmt.
Dabei berührt der ausgelenkte Bereich der Membran 26 die Elektrode 42 nicht. Lediglich ein unbewegter Randbereich der Membran 26 kann mit der Elektrode 42 in Kontakt sein.
Da sich der bewegte Bereich der Membran 26 im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors 40 befindet, beeinflusst die Membran 26 den vom Sensor 40 gemessenen Kapazitätswert.
Konkret beeinflusst eine Auslenkung der Membran 26 zur Betätigung des Membranventils 10 den Kapazitätswert, aber auch Geometrieänderungen oder Änderungen der Materialeigenschaften der Membran 26 aufgrund von Verschleiß beeinflussen den gemessenen Kapazitätswert.
Der Antriebsstößel 28 erstreckt sich durch eine Aussparung 44 in der Elektrode 42 hindurch.
Das Membranventil 10 umfasst zudem einen Temperatursensor 46, der eingerichtet ist, eine Temperatur innerhalb des Membranventils 10 in der Umgebung der Membran 26 zu messen. Im Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 46 in die Elektrode 42 integriert, insbesondere in Form eines RFI D-Temperatursensors.
Des Weiteren umfasst das Membranventil 10 einen Kraftsensor 48, der am Antriebsstößel 28, im Ausführungsbeispiel zwischen dem Druckverteilungselement 34 und dem Antriebsstößel 28 angeordnet ist. Der Kraftsensor 48 ist insbesondere eingerichtet, um festzustellen, mit welcher Kraft der Antriebsstößel 28 auf die Membran 26 wirkt.
Zudem umfasst das Membranventil 10 einen Spannungssensor 50 in Form von Dehnungsmessstreifen auf und/oder in der Membran 26.
Das Membranventil 10 umfasst außerdem einen Drucksensor 52 in Form von auf der Membran 26 aufgebrachten Leiterbahnen, insbesondere Kupferbahnen. Durch eine Bewegung der Leiterbahnen relativ zueinander lässt sich auf die Druckverhältnisse in der Membran schließen.
Des Weiteren umfasst das Membranventil 10 einen pH-Sensor 54.
Zudem umfasst das Membranventil 10 einen Vibrationssensor 56. Der Vibrationssensor 56 ist insbesondere am Antriebsstößel 28, genauer gesagt am Druckverteilungselement 34 angebracht. Durch den Vibrationssensor 56 lassen sich Schwingungen des Antriebsstößels 28 feststellen, die auf den eingeklemmten Bereich der Membran 26 übertragen werden und Risse verursachen können.
Die Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 liefern vorzugsweise zeitdiskrete Messwerte.
Vorzugsweise sind sämtliche Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 an der Membran 26 oder in der Nähe der Membran 26 angeordnet.
Eine in 1 lediglich schematisch veranschaulichte Ausleseeinheit 58 dient zur Auswertung der von den Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 gemessenen Werte.
Die Ausleseeinheit 58 ist vorzugsweise signaltechnisch mit den Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 verbunden und eingerichtet, die entsprechenden Signale der Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 auszulesen.
Die Ausleseeinheit 58 ist beispielsweise durch einen Sensorchip gebildet.
Es ist auch denkbar, dass mehrere Ausleseeinheiten 58 vorgesehen sind.
Die Ausleseeinheit 58 kann die ausgelesenen Daten an eine im Steuerkopf 30 vorhandene Analyseeinheit 60 senden, welche eingerichtet ist, die erfassten Daten auszuwerten und zu analysieren.
Die Analyseeinheit 60 ist beispielsweise durch einen Mikrocontrollerchip gebildet.
Es ist jedoch auch denkbar, dass eine externe Analyseeinheit 60 vorhanden ist, die zum Auswerten der erfassten Daten an den Steuerkopf 30 angeschlossen werden kann. In diesem Fall werden die von den Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 erfassten Werte zunächst in einer Speichereinheit des Membranventils 10 zwischengespeichert und bei angeschlossener Analyseeinheit 60 ausgelesen und ausgewertet.
Im Falle einer integrierten Analyseeinheit 60 werden die Messwerte der Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 kontinuierlich ausgewertet.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform sind die Ausleseeinheit 58 und die Analyseeinheit 60 durch eine einzige, abgeschlossene Einheit gebildet.
In 2 ist anhand eines Schaubilds eine Funktionsweise des kapazitiven Sensors 40 veranschaulicht, die grundsätzlich bekannt ist.
Ein kapazitiver Sensor 40 arbeitet auf Basis der Veränderung der elektrischen Kapazität eines einzelnen Kondensators oder Kondensatorsystems.
Im Ausführungsbeispiel bilden die Lagen der mehrlagigen Elektrode 42 die Kondensatoren des kapazitiven Sensors 40 und die Membran 26 bildet das Dielektrikum, so dass jede Bewegung oder Änderung der Materialeigenschaften der Membran 26 den Kapazitätswert des Sensors 40 ändert und erfasst wird.
Die Elektrode 42 umfasst insbesondere eine Empfängerlage 62, eine Senderlage 64 und eine Erdungslage 66, die in den 3 bis 5 veranschaulicht sind.
Die Elektrode 42 kann starr oder flexibel sein.
Die Membran 26 und die mehrlagige Elektrode 42 bilden zusammen insbesondere einen Parallelplattenkondensator, wobei die Membran 26 eine Platte des Kondensators darstellt.
3 zeigt eine Empfängerlage 62. Auf der Empfängerlage 62 sind vier Randelektroden 68 aufgebracht. Innerhalb der Randelektroden 68 kann eine Bewegung bzw. Geometrieänderung der Membran 26 erfasst werden.
Zusätzlich ist innerhalb der Randelektroden 68 eine ringförmige Leiterbahn 70 vorgesehen.
Die Leiterbahn 70 bildet eine Empfängerspule des kapazitiven Sensors 40.
Das Design der Leiterbahn 70 hat insbesondere einen Einfluss auf die Kapazität des kapazitiven Sensors 40.
4 zeigt eine Senderlage 64 mit einer großflächigen Leitschicht.
5 zeigt eine Erdungslage 66.
Alle Lagen 62, 64, 66 haben eine identische Aussparung 72, welche bei zusammengefügten Lagen 62, 64, 66 die Aussparung 44 der Elektrode 42 bilden.
Die Analyseeinheit 60 ist erfindungsgemäß ausgebildet, um aus den Messwerten der unterschiedlichen Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 mittels eines Datenfusions-Algorithmus zu mindestens zwei Zeitpunkten ein Indexwert zu bilden, wobei anhand einer Veränderung des Indexwerts ein Grad des Verschleißes der Membran 26 bestimmt wird.
Konkret wird bei einer Inbetriebnahme des Membranventils 10 ein Erstindexwert gebildet, der einen Neuzustand der Membran 26 widerspielgelt.
Die später gebildeten Indexwerte werden mit dem Erstindexwert verglichen, wobei anhand einer Abweichung eines Indexwertes von dem Erstindexwert ein Grad des Verschleißes der Membran 26 bestimmt wird.
Gemäß dem Datenfusions-Algorithmus fließen die Messwerte der unterschiedlichen Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 mit einer definierten Gewichtung in den Indexwert ein.
Die Berechnung des Indexwertes wird in Zusammenhang mit 6 näher beschrieben.
Während des Betriebs des Membranventils 10 liefern die Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 verschiedene Messwerte.
Die Anzahl und die Arten von Sensoren, die in die Berechnung des Indexwertes einfließen, können je nach Anwendungsfall variieren.
Um den Erstindexwert oder einen Indexwert zu einem weiteren Zeitpunkt zu bilden, werden die Messwerte der Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 aufaddiert, wobei die einzelnen Messwerte jeweils mit einem eigenen Gewichtungsfaktor GF multipliziert werden, und die Summe der gewichteten Messwerte wird durch die Summe der Gewichtungsfaktoren geteilt.
Konkret wird zunächst das gewichtete arithmetische Mittel der Messwerte der Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 gemäß folgender Formel gebildet: WM = (GF₁*(Messwert kapazitiver Sensor) + GF₂*(Messwert Temperatursensor) + GF₃*(Messwert Spannungssensor) + GF₄*(Messwert Drucksensor) + ... GF_N* (Messwert Sensor_N)) / (GF₁ + GF₂ + GF₃ + GF₄ + ... + GF_N)
Die Summe der Gewichtsfaktoren ist auf einen definierten Wert begrenzt, beispielsweise auf den Wert 1.
Um einen Indexwert zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bilden, wird gemäß dem Datenfusions-Algorithmus aus den Messwerten der unterschiedlichen Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56, insbesondere aus den Messwerten, die seit Bilden des vorhergehenden Indexwertes gemessen wurden, zunächst das gewichtete arithmetisch Mittel gebildet. Anschließend wird das gewichtete arithmetische Mittel vom Datenfusions-Algorithmus derart konvertiert, dass der Indexwert in einem definierten Bereich liegt, insbesondere einen von mehreren vorbestimmten Werten annimmt.
Dadurch lassen sich die Indexwerte von einem Benutzer besonders einfach interpretieren.
Die Werte des gewichteten arithmetischen Mittels können nämlich je nach Membrantyp, Membrangröße, Membranmaterial und Ventilart stark variieren. Für einen Benutzer kann die Interpretation der erhaltenen Werte daher mühsam sein.
Durch das Abbilden des gewichteten arithmetischen Mittels auf einen definierten Bereich lassen sich definierte, leicht zu interpretierende Werte festlegen.
Beispielsweise kann der Bereich derart definiert sein, dass der Indexwert Werte von 1 bis 10 annehmen kann, wobei der Indexwert von 1 der Erstindexwert direkt nach dem Austausch der Membran ist und ein Indexwert von 10 einen maximalen Indexwert dar, wobei vor Erreichen des maximalen Indexwertes ein Austausch der Membran 26 erforderlich ist.
Zum Abbilden des gewichteten arithmetischen Mittels auf den definierten Bereich umfasst der Datenfusionsalgorithmus Funktionen, welche spezifisch für einen jeweiligen Membrantyp sowie Ventiltyp und einen Verschleißzustand sind.
Die Funktionen entsprechenden Funktionen werden basierend auf Versuchen ermittelt.
Eine entsprechende Programmierung zum Durchführen des Datenfusions-Algorithmus ist in der Analyseeinheit 60 gespeichert.
Optional wird auf die von den verschiedenen Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 ausgegebenen Werte jeweils ein Algorithmus maschinellen Lernens, beispielsweise ein Kalman-Filter KF, angewendet.
Dies dient beispielsweise dazu, die Gewichtsfaktoren GF bei Bedarf zu variieren und an eine veränderte Performance des Membranventils 10 anzupassen.
Eine entsprechende Vorgehensweise ist in 7 beispielhaft für einen Sensor veranschaulicht. Das Vorgehen lässt sich jedoch separat auf alle Sensoren 40, 46, 48, 50, 52, 54, 56 anwenden.
Insbesondere werden ein simulierter Messwert x_m+1(sim) und ein gemessener Messwert x_m+1(meas) miteinander verglichen.
Der simulierte Messwert x_m+1(sim) wird basierend auf einem vorherigen Messwert abgeschätzt, auf dein ein Algorithmus maschinellen Lernens angewendet wird, insbesondere ein Kalman-Filter KF.
Der gemessene Messwert x_m+1(meas) und der simulierte Messwert x_m+1(sim) bilden somit einen Messwert zum selben Zeitpunkt ab.
Im regulären Betrieb sollten die von den Sensoren gemessen Werte weitestgehend konstant sein bzw. sich in gleicher Weise wiederholen. In diesem Fall ist lediglich eine geringfügige Abweichung zwischen dem gemessenen Messwert x_m+1(meas) und dem simulierten Messwert x_m+1(sim) zu erwarten.
Wird eine signifikante Abweichung des gemessenen Messwert x_m+1(meas) vom regulären bzw. zu erwartenden Verhalten festgestellt, deutet dies auf eine Unregelmäßigkeit im Betrieb hin, durch die ggf. auch die Membran 26 übermäßig strapaziert werden kann.
Bei Auftreten einer derartigen Abweichung wird im Schritt S der Gewichtungsfaktor für den entsprechenden Sensor erhöht, um die Abweichung stärker zu berücksichtigen.
Eine signifikante Abweichung ist beispielsweise eine signifikante Temperaturdifferenz, eine Änderung der Druckverhältnisse, eine erhöhte Anpresskraft, zunehmende Vibrationen etc.
Die Anpassung des Gewichtungsfaktors GF erfolgt beispielsweise automatisch, insbesondere durch den Datenfusions-Algorithmus. Es ist jedoch auch denkbar, dass ein Benutzer auf die Abweichung der Werte hingewiesen wird und aufgefordert wird, einen angepassten Gewichtungsfaktor GF anzugeben.
Gemäß einem ähnlichen Prinzip lässt sich der Indexwert I bewerten. Wie in 8 veranschaulicht ist, werden ein simulierter Indexwert I_m+1(sim) und ein gemessener Indexwert I_m+1(meas) miteinander verglichen. In einem anschließenden Schritt T wird die Differenz zwischen dem simulierten Indexwert I_m+1(sim) und den gemessenen Indexwert I_m+1(meas) analysiert.
Der simulierte Indexwert I_m+1(sim) wird basierend auf einem vorherigen Messwert abgeschätzt, auf dein ein Algorithmus maschinellen Lernens angewendet wird, insbesondere ein Kalman-Filter KF.
Der gemessene Indexwert I_m+1(meas) und der simulierte Indexwert I_m+1(sim) bilden somit einen Indexwert zum selben Zeitpunkt ab.
Da die Alterung der Membran 26 im regulären Betrieb des Membranventils 10 sehr langsam von statten geht, ist eine geringfügige, konstante Differenz zwischen dem gemessenen Indexwert I_m+1(meas) und dem simulierten Indexwert I_m+1(sim) zu erwarten. Der Betrag der Differenz spiegelt insbesondere wider, wie schnell die Membran 26 verschleißt.
Wenn eine plötzliche, unerwartet große Differenz zwischen dem gemessenen Indexwert I_m+1(meas) und dem simulierten Indexwert I_m+1(sim) auftritt, ist dies ein Indiz für eine Störung im Betrieb des Membranventils 10, zum Beispiel eine Fehlfunktion eines Sensors oder ein plötzliches Versagen der Membran 26.
Anstelle des vorhergehend beschriebenen Datenfusions-Algorithmus kann auch eine nicht-lineare Zustandsgleichung oder ein Recursive-Least-Square-Algorithmus verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Membranventils (10) mit einem Fluidgehäuse (14), in dem ein Ventilsitz (16) ausgebildet ist, einer Membran (26), die zum Freigeben oder Verschließen eines Strömungsweges durch das Fluidgehäuse (14) mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und mit mindestens zwei Sensoren aus einem kapazitiven Sensor (40), welcher derart angeordnet ist, dass sich die Membran (26) zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors (40) befindet, einem Temperatursensor (46), einem Drucksensor (52), einem Kraftsensor (48), einem pH-Sensor (54), einem Spannungssensor (50) und einem Vibrationssensor (56), wobei aus den Messwerten der unterschiedlichen Sensoren (40, 46, 48, 50, 52, 54, 56) mittels eines Datenfusions-Algorithmus zu mindestens zwei Zeitpunkten ein Indexwert (I) gebildet wird, wobei anhand einer Veränderung des Indexwerts (I) ein Grad des Verschleißes der Membran (26) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß dem Datenfusions-Algorithmus die Messwerte der unterschiedlichen Sensoren (40, 46, 48, 50, 52, 54, 56) mit einer definierten Gewichtung in den Indexwert (I) einfließen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Messwerte jeweils mit einem eigenen Gewichtungsfaktor (GF) multipliziert werden, wobei die Summe der Gewichtungsfaktoren (GF) auf einen definierten Wert begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß dem Datenfusions-Algorithmus aus den Messwerten der unterschiedlichen Sensoren (40, 46, 48, 50, 52, 54, 56) jeweils ein Mittelwert gebildet wird und die unterschiedlich gewichteten Mittelwerte aufaddiert werden, um den Indexwert zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (40, 46, 48, 50, 52, 54, 56) zeitdiskrete Messwerte liefern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Austausch der Membran (26) ein Erstindexwert gebildet wird, der einen Neuzustand der Membran (26) widerspielgelt, wobei die später gebildeten Indexwerte (I) mit dem Erstindexwert verglichen werden und anhand einer Abweichung eines Indexwertes (I) von dem Erstindexwert ein Grad des Verschleißes der Membran (26) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die von den verschiedenen Sensoren (40, 46, 48, 50, 52, 54, 56) ausgegebenen Werte jeweils ein Algorithmus maschinellen Lernens, beispielsweise ein Kalman-Filter (KF) angewendet wird, und der Datenfusions-Algorithmus einen weiteren Indexwert (I) anhand der mittels des Algorithmus maschinellen Lernens abgeschätzten Messwerte bildet.
Membranventil (10) mit einem Fluidgehäuse (14), in dem ein Ventilsitz (16) ausgebildet ist, einer Membran (26), die zum Freigeben oder Verschließen eines Strömungsweges durch das Fluidgehäuse (14) mit dem Ventilsitz (16) zusammenwirkt, einem beweglich gelagerten Antriebsstößel (28), der an der Membran (26) befestigt ist, wobei das Membranventil (10) mindestens zwei Sensoren aus einem kapazitiven Sensor (40), welcher derart angeordnet ist, dass sich die Membran (26) zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors (40) befindet, einem Temperatursensor (46), einem Drucksensor (52), einem Kraftsensor (48), einem pH-Sensor (54), einem Spannungssensor (50) und einem Vibrationssensor (56) umfasst, und wobei das Membranventil (10) eine Analyseeinheit (60) aufweist, die eingerichtet ist, anhand der Messwerte der Sensoren (40, 46, 48, 50, 52, 54, 56) einen Indexwert (I) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zu berechnen.
Membranventil (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (46) eingerichtet ist, eine Temperatur innerhalb des Membranventils (10) in der Umgebung der Membran (26) zu messen und/oder der Drucksensor (52) auf die Membran (26) aufgebrachte Leiterbahnen umfasst und/oder der Kraftsensor (48) am Antriebsstößel (28) angeordnet ist und/oder der Spannungssensor (50) auf oder in der Membran angeordnete Dehnungsmessstreifen umfasst und/oder der Vibrationssensor (56) ein magnetischer Sensor ist.
Membranventil (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (60) in einem Steuerkopf (30) des Membranventils (10) integriert ist oder an das Membranventil oder den Steuerkopf (30) des Membranventils extern anschließbar ist.