DE19643096C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Spindelkräften an Armaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Spindelkräften an Armaturen.

In der Praxis bekannt sind mit einem hohen Aufwand durchzuführende Wirkleistungsmessungen des Armaturenantriebes. Hierbei wird das Drehmoment des Antriebes umgerechnet in eine Spindelkraft. Von Nachteil ist, daß bei der Umrechnung ein Reibwert zwischen Spindel und Spindelmutter einbezogen wird, der mit großen Schwankungen behaftet ist und dadurch auch die ermittelte Spindelkraft großen Schwankungen unterliegt.

Es ist ferner ein Meßverfahren bekannt, bei dem durch die Spindelkraft ein Bleiklotz verformt wird, der mit anderen Bleiklötzen, die unter definierten Kräften verformt werden, verglichen wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil einer großen Ungenauigkeit und kann nur einmalig eingesetzt werden.

In der DE 39 36 525 A1 ist eine Einrichtung zum Bestimmen von Kräften und Drehmomenten beschrieben, die auf einen stabförmigen Körper, insbesondere auf eine Spindel einer Armatur, einwirken. Diese Einrichtung weist Dehnungsmeßstreifen auf, die auf einem inelastischen Band angeordnet sind. Mit einer derartigen Einrichtung lassen sich jedoch die Spindelkräfte der Spindel während des Betriebs der Armaturen nicht dauerhaft messen.

Ein Verfahren sowie eine Meßanordnung zur Ermittlung der Spindelmutter- und Stopfbuchsreibung von Armaturen mit elektrischem Stellantrieb lehrt die DE 42 24 902 A1. Dabei werden außerhalb der druckführenden Umschließung der Armatur durch Zusammendrücken bzw. Dehnen von Federn hervorgerufene Prüfkräfte an der Armaturenspindel angebracht und über der Zeit als Meßfunktion erfaßt, gespeichert und/oder angezeigt und gleichzeitig das während eines Lastspiels der Armatur mit diesen Prüfkräften am Armatureneingang in der Antriebskette Armatur/Stellantrieb auftretende Drehmoment über die Zeit als Meßfunktion M erfaßt, gespeichert und/oder angezeigt. Die Meßanordnung zur Ermittlung der Spindelmutter- und Stopfbuchsreibung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Armaturenspindel mit mindestens einer Schrauben- und und/oder Tellerfeder kraftschlüssig verbunden ist. Die Meßanordnung befindet sich in einer Kraftmeßeinrichtung. Dabei greift diese Einrichtung oberhalb der Spinde bzw. des Elektro-Antriebs oder zwischen Armatur und E-Antrieb an. Nachteilig an dieser Lehre ist, dass die Einrichtung den Schwerpunkt der Armatur nach oben verlagert. Daher werden sämtliche Beschleunigungskräfte derart ungünstig auf die Armatur einwirken, dass die betroffenen Rohrleitungen neu berechnet werden müssen. Dieses Verfahren wird üblicherweise in Stillstandszeiten der Armaturen eingesetzt. Dabei wird in den meisten Fällen der Drehantrieb ausgebaut und eine Kraftmeßdose zwischen dem E-Antrieb und der Armatur angebracht. Nach dem Meßvorgang wird die Armatur in den alten Zustand versetzt. Der E-Antrieb muß nach jedem Aufbau neu eingestellt werden. Daher ist dieses Verfahren für den dauerhaften Betrieb nicht geeignet.

Die DE 42 42 224 A1 betrifft ein Verfahren zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Armaturen mit elektrischem Stellantrieb. Die von der Armatur aufgenommene Spindenlängskraft wird als Funktion derzeit aus der Messung der Wirkleistung des Stellantriebsmotors über der Zeit abgeleitet. Allerdings ist nachteilig an diesem Verfahren, daß zum einen die Spindelkräfte nur indirekt ermittelt werden können. Darüber hinaus wird vernachlässigt, daß sich die Reibung zwischen Spindelmutter und Spindel im Laufe der Zeit ändert. Nach der Lehre der DE 42 42 224 A1 wird die Messung am E-Antrieb vorgenommen, womit die Veränderung der Reibungskräfte zwischen Spindelmutter und Spindel nicht zu messen sind. Im übrigen haben Messungen ergeben, daß aus der Wirkleistungsmessung keine eindeutigen Rückschlüsse auf die Spindelkraft gezogen werden können.

In der DE 90 06 338 U1 ist eine Meßvorrichtung zum Bestimmen einer von einer Spindel einer Armatur ausgeübten Kraft beschrieben. Dabei wird ein Stempel, auf den durch die Spindel eine Kraft ausübbar ist, in einem Gehäuse angeordnet, welches mit dem Gehäuse der Spindel fest gekoppelt ist. Der Stempel steht mit einer mechanischen Feder in Wirkverbindung, die gegen das Gehäuse abgestützt angeordnet ist. Auf dem Stempel ist ein Dehnungsmeßstreifen angeordnet. Eine derartige Meßvorrichtung muß jedoch bei Betrieb der Armatur abmontiert werden.

Zur Bestimmung des funktionalen Zusammenhangs von Verschiebeweg und Spindelkraft an der Armatur ist in der DE 90 06 338 U1 vorgesehen, einen Wegaufnehmer mit einer im rechten Winkel zu der Spindel angeordneten Schneckenwelle eines Stellantriebes zu verbinden, die über eine Spindelmutter und ein Schneckenrad mit der Spindel in Wirkverbindung steht. Mit dem Wegaufnehmer wird der Verschiebeweg der Schneckenwelle gemessen. Damit erfolgt die Messung der Spindelkräfte indirekt durch die Messung eines Drehmomentes der Spindelmutter über die Verschiebung einer Schneckenwelle im Stellantrieb. Diese kann auch nach dem Stand der Technik federnd gelagert sein.

Nachteil einer derartigen Messvorrichtung nach dem Stand der Technik ist jedoch, daß über die Messung des Drehmomentes des Antriebes auf die vorhandene Spindelkraft der Armaturenspindel geschlossen wird, ohne jedoch die Reibung im Spindelgewinde ausreichend zu berücksichtigen. Diese Reibung wird bei der Berechnung der Spindelkraft aus der Drehmomentmessung als Reibbeiwert berücksichtigt, allerdings nur als Konstante, die bei der Kalibrierung ermittelt wird. Der Reibbeiwert ändert sich jedoch erheblich während des Betriebes der Armatur, zum Beispiel durch Verschleiß, Spülung, Schmierung und/oder beim Einlaufen der Armatur.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Insbesondere soll eine Meßvorrichtung und ein Meßverfahren geschaffen werden, mit denen sich auch während des Betriebes der Armatur die Spindelkräfte der Spindel direkt messen lassen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden definierte Kräfte in eine im praktischen Einsatz befindliche Armatur eingeleitet und mit Hilfe dieser Kräfte die sensorischen Signale einer in der Armatur befindlichen Meßeinrichtung kalibriert. Beim Betrieb der Armatur wird die Verlagerung der Spindelmutter gegen eine Federkraft gemessen und diese Werte mit denen in die Armatur vorher definiert eingegebenen Kräften verglichen.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß mit geringem Aufwand sehr genaue direkte Meßwerte der Spindelkraft erzielt werden, so zum Beispiel bei Schwergängigkeit der Spindel oder veränderten Stopfbuchsreibkräften, ohne den Reibbeiwert zwischen der Spindel und der Spindelmutter (Gewinde) oder innerhalb des Stellantriebes berücksichtigen zu müssen. Des weiteren ist eine Messung während des Betriebes der Armaturen möglich, so daß die Armaturen permanent überwacht werden können. Insbesondere ist auch eine Messung bei Stillstand der Spindel und der Spindelmutter möglich. Bevorzugt wird die Verlagerung der Spindelmutter gegen eine Federkraft mittels einer Wirbelstromsensorik gemessen. Dadurch wird es möglich, mit einfachen, der Meßeinrichtung nachgeschalteten Mitteln, die Meßergebnisse permanent zu erfassen und online zu protokollieren.

Eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante ist die einfache Messung der Verformung der Lagerstege, insbesondere mittels Dehnungsmeßstreifen, die im Vergleich mit den Meßwerten, die vorher mit den definiert in die Armatur eingegebenen Kräften, zum Beispiel während der Kalibrierung, erzielt wurden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Spindelkräften in einer Armatur, insbesondere im Stellantriebskopf einer Armatur, besteht aus einem Gehäuse (1) einer Spindel (2) und/oder einer Spindelmutter (3) mit einem Spindelmutterbund (9), mindestens einem Lager sowie mindestens einer Feder, wobei die Feder zwischen dem Gehäuse und dem Spindelmutterbund (9) oder dem Lager angeordnet ist und gegen das Gehäuse (1) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (5) zur Messung des Verschiebeweges der Spindelmutter (3) oder der Spindel oder eines Lagers in Spindellängsrichtung in dem Gehäuse (1) angeordnet ist. Mittels dieser Vorrichtung läßt sich das Verfahren zum Messen von Spindelkräften an Armaturen kostengünstig mit wenig Aufwand auch während des praktischen Einsatzes der Armatur durchführen. Des weiteren können auch Armaturen nach dem Stand der Technik leicht und mit geringem Aufwand nachgerüstet werden. Die Ausrichtung des Sensorkopfes auf die Spindelmutter mißt zuverlässig die Verschiebung bzw. Verlagerung der Spindelmutter relativ zu dem Gehäuse.

In einer speziellen Ausführung ist der Sensor als Wirbelstromsensor ausgebildet und der Spindelmutterbund (9) besteht aus nicht ferromagnetischem Material im Gegensatz zu dem oder den Lager(n) und/oder der oder den Feder(n), die aus ferromagnetischem Material bestehen. Der Sensor ist in etwa in Höhe der Auflage des Spindelmutterbundes (9) auf das Lager (7) oder die Feder (11) in dem Gehäuse angeordnet.

Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung läßt sich die Messung der Spindelkräfte besonders gut und zuverlässig durchführen, da die Messung berührungslos durchgeführt werden kann und der Materialwechsel zwischen Lager bzw. Federn und Spindelmutter besonders gut detektiert werden kann.

Die Anordnung mindestens eines weiteren Sensors etwa in Höhe der Auflage eines oberen Lagers (12) auf den Spindelmutterbund (9) in das Gehäuse (1) ist vorteilhaft, da bei Ausfall eines Sensors auch weiterhin die Spindelkraft gemessen werden kann. Des weiteren kann, zum Beispiel bei Verklemmen der Feder bzw. des Lagers, mittels eines weiteren Sensors noch eine zuverlässige Messung erreicht werden. Auch kann der gesamte Meßbereich, in dem die zurückgelegte Wegstrecke der Spindelmutter gemessen werden kann, vergrößert werden, so daß die Spindelmutterwegstrecke auch dann noch erfaßt wird, wenn die Spindelmutter außerhalb des Meßbereiches eines Sensors gefahren wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Stellantriebkopfes als Teil einer Armatur. Mittels des Flansches (8) kann dieser Stellantriebskopf an die Lagerstege der Armaturen (nicht dargestellt) befestigt werden. An den Anschluß (6) kann ein Antrieb, z. B. ein Elektroantrieb angeschlossen werden. Über die Paßfeder (16) ist die Spindelmutter (3) mit dem Elektroantrieb verbunden. Das Lagergehäuse (1) enthält in diesem Ausführungsbeispiel die untere Feder (11), das untere Lager (7), die Spindelmutter (3) mit der Armaturenspindel (2), sowie das obere Lager (12) und die obere Feder (4) und wird abgeschlossen durch einen Gewindering (14), welcher fest mit dem Lagergehäuse (1) verbunden wird. Ein Teil der Spindelmutter, vorzugsweise im mittleren Bereich, ist als Spindelmutterbund (9) ausgeführt. Das Lager (7) ist ebenso wie das Lager (12) als Kugellager ausgeführt mit den Lagerrücken (7a), die in diesem Beispiel aus Stahl bestehen. Die Spindelmutter (3) besteht aus Messing. Allerdings können auch andere Materialien eingesetzt werden. Die Filzringe (15) dienen zur Abdichtung und die Druckstücke (13) zur Optimierung der Auflagefläche für die Feder. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Wirbelstromsensoren (5), die in zwei Bohrungen (als Mittellinie eingezeichnet) in das Gehäuse (1) eingesetzt werden, vorgesehen. Dabei erfaßt jeweils ein Sensor den Bereich des Materialwechsels zwischen dem Lager (12) und dem Spindelmutterbund (9) bzw. dem unteren Lager (7) und dem Spindelmutterbund (9). Die Sensoren sind mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden. Der Sensorkopf jedes Wirbelstromsensors (5) ist in Richtung der Spindelmutter (3) bzw. Spindelmutterbundes (9) ausgerichtet. Die Federn (4, 11) sind als Tellerfedern ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine moderne Armatur, bei der die Spindelmutter zur Begrenzung der Armaturensteifigkeit mit Tellerfedern gelagert ist. Des weiteren handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um eine Armatur mit einer nicht drehenden Spindel, d. h., daß die Spindel gegen ein Verdrehen gesichert ist. Die Armatur wird über das Spindelgewinde bei sich drehender Spindelmutter axial verschoben, also geöffnet oder geschlossen. Selbstverständlich kann statt eines Elektroantriebes auch ein Handrad eingesetzt werden. Auch können andere Sensoren eingesetzt werden, die den Weg der Spindelmutter messen, woraus sich die Spindelkräfte berechnen lassen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Messen von Spindelkräften an Armaturen, wobei definierte Kräfte in eine im praktischen Einsatz befindliche Armatur eingeleitet und mittels dieser Kräfte sensorische Signale einer an der Armatur befindlichen Meßeinrichtung kalibriert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerung der Spindelmutter oder die Verformung der Lagerstege gegen eine Federkraft gemessen wird und diese Werte mit den in die Armatur vorher definiert eingegebenen Kräften verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerung der Spindelmutter gegen eine Federkraft mittels einer Wirbelstromsensorik gemessen wird.

3. Vorrichtung zur Messung von Spindelkräften in einer Armatur, insbesondere im Stellantriebskopf einer Armatur, bestehend aus einem Gehäuse (1), einer Spindel (2) und/oder einer Spindelmutter (3) mit einem Spindelmutterbund (9), mindestens einem Lager sowie mindestens einer Feder, wobei die Feder zwischen dem Gehäuse und dem Spindelmutterbund (9) oder dem Lager angeordnet ist und gegen das Gehäuse (1) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (5) zur Messung des Verschiebeweges der Spindelmutter (3) oder der Spindel oder eines Lagers gegen die Kraft der Feder in dem Gehäuse (1) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (5) als Wirbelstromsensor ausgebildet ist und der Spindelmutterbund (9) aus nicht ferromagnetischem Material und die Lager und/oder die Federn aus ferromagnetischem Material bestehen und daß der Sensor (5) annähernd in Höhe der Auflage des Spindelmutterbundes (9) auf das Lager (7) oder die Feder (11) in dem Gehäuse (1) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Sensor (5) annähernd in Höhe der Auflage des Lagers (12) auf den Spindelmutterbund (9) in dem Gehäuse (1) angeordnet ist.