DE202004020347U1

DE202004020347U1 - Pneumatischer Schwenkantrieb zum Stellen eines Stellorgans, wie eines Ventils

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Publication number: DE202004020347U1
Application number: DE202004020347U
Authority: DE
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2014-01-31

Abstract

Pneumatischer Schwenkantrieb zum Stellen eines Stellorgans, wie eines Ventils (11), mit einer Antriebswelle (5), die über eine Kopplungsschnittstelle (21) mit einer Stellwelle (9) des Stellorgans lösbar gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
– eine Sensorik mit einem ersten Weg-Sensor (23) zum Erfassen der Stellung der Antriebswelle (5) und einem zweiten Weg-Sensor (25) zum Erfassen der Stellung der Stellwelle (5) ausgestattet ist,
– der erste Sensor (23) eine Weg-Abgreifstelle an der Antriebswelle (5) benachbart der Kopplungsschnittstelle (21) und der zweite Sensor (25) eine Weg-Abgreifstelle an der Stellwelle (9) benachbart einer Kopplungsschnittstelle umfassen,
– der erste und zweite Sensor (23, 25) mit einer Einrichtung zum Vergleichen der Sensorsignale verbunden sind,
– eine Einrichtung zum Interpretieren und/oder Auswerten eines Vergleichssignals der Vergleichseinrichtung als kinematische Verzögerung zwischen der Antriebswelle (5) und der Stellwelle (9), insbesondere zum Interpretieren einer Winkeldifferenz zwischen der Antriebswelle (5) und der Stellwelle (9), sowie eine Einrichtung zum...

Description

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Schwenkantrieb zum Stellen eines Stellorgans, wie eines Ventils.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft dabei die Sensorik für Schwenk- oder Lineararmaturen, die zum Regeln eines Prozeßfluidkreislaufs insbesondere der chemi schen Prozeßindustrie, beispielsweise zur Mineralöl- oder Gasverarbeitung, eingesetzt werden. Üblicherweise wird eine bekannte Schwenkarmatur in diesem Einsatzgebiet pneumatisch gesteuert, wobei eine pneumatische Kraftmaschine über ein als Antriebswelle oder -achse ausgebildetes, antreibendes Bauteil das beispielsweise als Stellglied oder Ventilglied ausgebildete, antreibbare Bauteil des Stellorgans in eine geöffnete, in eine geschlossene Stellung oder in eine Zwischenstellung verbringt.
Zur Bereitstellung verschiedener Betriebszustände in dem Prozeßfluidkreislauf ist eine Regelung vorgesehen, bei der eine Regelgröße die tatsächliche Stellung des Stellglieds darstellt. Zur Bestimmung der Position des Stellorgans wird eine Weg-Sensorik eingesetzt, die üblicherweise antriebsseitig in einem separaten Reglergehäuse an dem Gehäuse des Antriebs lösbar befestigt ist und die Position des Stellglieds mittelbar über die Position des antreibenden Bauteils erfaßt. In diesem Zusammenhang wird auf die VDI/VDE-Richtlinien (3845) betreffend Stellantriebe Bezug genommen, bei der ein Schwenkantrieb über eine Konsole an dem Stellorgan befestigt ist. Auf der dem Stellorgan abgewandten Seite des Schwenkantriebs ist ein Stellungsreglergehäuse über eine weitere Konsole fest angebracht, in dem der Sensor zur Erzeugung von elektrischen Stellungssignalen untergebracht ist. Der Sensor ist mechanisch mit der Antriebswelle des Schwenkantriebs über einen Abgreifmechanismus gekoppelt, der die Stellbewegung des Schwenkantriebs in das Gehäuse des Stellungsreglers translatorisch überträgt. Bei dieser bekannten Anordnung ist von Nachteil, daß die tatsächliche Stellung des Stellglieds über mehrere Bewegungsübertragungsstellen, nämlich die Kopplungsschnittstelle zwischen der Antriebswelle und dem Stellglied, sowie dem translatorischen Bewegungsübertragungsmechanismus der Weg-Sensorik, ermittelt wird, was Meßungenauigkeiten und sich daraus bildende Regelungsfehler entstehen läßt.
Bei Prozeßfluidkreisläufen, wie Kühlmittelkreisläufen, besteht ein hoher Sicherheitsstandard, insbesondere was den Ausfall oder die Fehlstellung des Stellorgans betrifft. Zur Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Stellorgans werden unterschiedliche Prüf- oder Diagnoseverfahren genutzt. Zum einen ist zu prüfen, ob ein fortschreitender Verschleiß am Stellorgan die gewünschte Funktion des Ventils zu stark beeinträchtigt. Zum anderen ist die Verläßlich keit der durch die Weg-Sensorik erfaßten Meßsignale zu überprüfen, weil insbesondere bei korrosionsbegünstigenden Umgebungsmedien die Weg-Sensorik häufig in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Zum anderen können Stellungsfehler des Ventilglieds aufgrund einer schadhaften Kupplung der Antriebswelle des Schwenkantriebs an dem Stellglied auftreten.
Eine übliche Prüfung von Armaturschäden sieht zumeist derart aus, daß ein Stellglied des Stellorgans aus dem unterbrochenen Prozeßfluidkreislauf entnommen wird, um am Stellglied zumeist zerstörerische Untersuchungen durchführen zu können. Als eine häufige Ursache für Verschleißschäden an der mechanischen Kopplung ist das fertigungstechnisch notwendige Montagespiel zwischen dem antreibbaren Bauteil des Ventils und der Antriebswelle oder – achse des Stellantriebs identifizierbar. Mit zunehmenden Lastwechseln, wie einem Wechsel der Stellbewegungsrichtung, und durch zunehmende Stellreibung eines sich abnutzenden Stellglieds vergrößert sich das Spiel der Kopplung, wodurch es zu einer Lockerung der Krafkopplung zwischen Stellantrieb und Stellorgan und unter Umständen zum Ausfall des Stellorgans kommen kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere einen pneumatischen Schwenkantrieb derart weiterzubilden, daß eine umfängliche Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Stellorgans und dessen Regelung und/oder Steuerung, insbesondere der Kopplung des antreibenden und antreibbaren Bauteils, ohne zerstörerische Untersuchung des Stellorgans gewährleistet, eine betriebssichere Regelung bzw. Steuerung einer Prozeßfluidströmung bzw. des Stellorgans verbessert und eine Zuverlässigkeitsanalyse eines Stellorganbetriebs aussagekräftig und einfach möglich sind, wobei insbesondere Diagnosehilfen bei der Schadensidentifikation bereitzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach ist für den Schwenkantrieb eine Sensorik durch ein Sensorpaar mit einem ersten Sensor zum Erfassen der Stellung des antreibenden Bauteils und einem zweiten Sensor zum Erfassen der Stellung des antreibbaren Bauteils vorgesehen. Mit der Anordnung eines Sensors auf einer Abtriebsseite einer mechanischen Kopplung zwischen einem antreibenden und einem antreibbaren Bauteil und eines weiteren Sensors auf der Antriebsseite der Kopplung kann das insbesondere für die Montage notwendige Spiel der Kopplung untersucht werden, insbesondere das Vergrößern des Spiels im Verlauf des Betriebs der Stellantrieb-Stellorgan-Anordnung überwacht werden. Ein Lösen der Kopplung für deren Untersuchung ist damit nicht mehr notwendig, was den Arbeitsaufwand bei der Überprüfung der Verschleißanfälligkeit derartiger Kopplungen deutlich reduziert. Überraschenderweise stellte sich bei der erfindungsgemäßen Doppelsensoranordnung heraus, daß auch Verschleißerscheinungen innerhalb des Stellorgans, wie Stellwiderstand, über die Sensorik erfaßbar sind. Auf diese Weise sind Analyse- oder Diagnoseverfahren möglich, anhand derer die Entwicklung eines verschleißanfälligen Bereichs eines Stellorgans überwacht werden kann und auch genaue Funktions- oder Ausfallwahrscheinlichkeiten angegeben werden können. Desweiteren kann mit der erfindungsgemäßen paarweisen Sensoranordnung auch der Ausfall eines Sensors leicht identifiziert werden, so daß sich aus dem Ausfall eines Sensors ergebende Regelungs- und/oder Steuerungsfehler vermieden werden.
Erfindungsgemäß weist der erste Sensor eine Abgreifstelle auf, die benachbart einer Kopplungsschnittstelle zwischen dem antreibenden und antreibbaren Bauteil auf einer dem antreibenden Bauteil zugewandten Seite der Kopplungsschnittstelle liegt. Zudem weist der zweite Sensor eine Abgreifstelle benachbart der Kopplungsschnittstelle auf einer dem antreibbaren Bauteil zugewandten Seite der Kopplungsschnittstelle auf. Auf diese Weise können kurze Signalwege realisiert werden, wobei Meßverfälschungen aufgrund elastischer Verformungen von sich von der Kopplungschnittstelle erstreckenden Abschnitten des antreibenden Bauteils, wie der Antriebswelle, und des antreibbaren Bauteils, wie des Stellglieds, ausgeschlossen werden.
Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zum Vergleichen von Sensorsignalen vorgesehen, welche Einrichtung vorzugsweise in einem Gehäuse einer Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung untergebracht ist. Die Vergleichseinrichtung kann zur Untersuchung von Verschleißzuständen genutzt werden. Dabei können zum einen Stellungssignale zu unterschiedlichen Betriebszeitpunkten erzeugt werden, um das Fortschreiten des Abnutzungszustands feststellen zu können. Zum anderen kann ein Vergleich von simultan erfaßten Sensorsignalen des ersten und zweiten Sensors vorgenommen werden, um den tatsächlichen Verschleiß- oder Abnut zungszustand der mechanischen Kopplung und/oder des Stellorgans zu bestimmen und/oder die korrekte Funktionsweise der Sensoren zu überwachen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zum Interpretieren und/oder Auswerten eines Vergleichssignals der Vergleichseinrichtung vorgesehen. Die Vergleichssignale werden dabei als kinematische Verzögerung zwischen dem antreibenden und antreibbaren Bauteil interpretiert, wobei als kinematische Verzögerung vorzugsweise die zeitliche Differenz bezüglich des Wechels der Stellbewegungsrichtung zwischen dem antreibenden und dem antreibbaren Bauteil sowie eine Weg- bzw. Winkeldifferenz ob eines Schwenk- bzw. Linearantriebs zwischen dem antreibbaren und dem antreibenden Bauteil bei einer Stellbewegung in einer Richtung zu verstehen ist.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann für den ersten und/oder zweiten Sensor ein induktiv arbeitender Sensor insbesondere mit einem Schlitzinitiator oder ein potentiometrischer Sensor, der insbesondere als Ringbahn um das rotationsförmige antreibende Bauteil und/oder das rotationsförmige antreibbare Bauteil ausgebildet ist, vorgesehen sein. Vorzugsweise ist für eine erhöhte Betriebssicherheit das Sensorpaar diversitär ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die beiden Sensoren in einem allseitig geschlossenem Raum untergebracht, der einige vorzugsweise sämtliche Steuerungs- und Regelungskomponenten enthält. Der Innenraum wird von einem insbesondere mantelförmigen Gehäuseteil begrenzt, das zwischen dem Gehäuse des Stellorgans und dem Gehäuse des Stellantriebs angeordnet ist und vorzugsweise zur Bereitstellung eines Kopplungsträgers mit dem Gehäuse des Stellorgans und mit dem Gehäuse des Stellantriebs, insbesondere fluiddicht, fest verbunden ist.
Bei einer Ausführung der Erfindung ist der Sensor zum Erfassen der Stellung des antreibenden Bauteils des Stellantriebs in dem Gehäuse des Stellantriebs untergebracht, wobei elektrische Leitungen zur Regelelektronik aus dem Stellantriebsgehäuse führen. Der Sensor zum Erfassen der Stellung des antreibbaren Bauteils des Stellorgans ist benachbart dem Durch gangsbereich des antreibbaren Bauteils durch das Gehäuse des Stellorgans hindurch innerhalb oder außerhalb des Stellorgangehäuses angeordnet.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kann ein zerstörungsfreies Überprüfen des Funktionszustands eines Stellorgans, wie eines Ventils, realisiert werden. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß das Erfassen der Stellung beider Bauteile zuverlässige Informationen liefern kann, um präzise Aussagen über Ausfallwahrscheinlichkeiten insbesondere dem der Weg-Sensorik der Kopplung zwischen Stellantrieb und Stellorgan und/oder des Stellorgans zu machen. Durch die Ermittlung sowohl der Stellung des antreibenden als auch des antreibbaren Bauteils können außerdem auf einfache Weise Aussagen über die korrekte Funktionsweise der Sensorik – den mechanischen Abtastteil und den elektronischen Bemessungsteil – getroffen werden. Sollten sich beispielsweise die Stellwegverläufe des antreibenden und des antreibbaren Bauteils über ein Toleranzmaß hinaus unterscheiden, ist mit einer hohen Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, daß zumindest einer der Sensoren nicht funktionsgerecht arbeitet. Die Identität des ausgefaltenen Sensors kann durch Vergleich mit einem bekannten Idealstellwegverlauf eines funktionstüchtigen Sensors bestimmt werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung soll die Stellung des antreibenden Bauteils und des antreibbaren Bauteils im wesentlichen gleichzeitig erfaßt werden. Auf diese Weise können Echtzeitaussagen über die Verschleißzustände, insbesondere des Kopplungsspiels, über die Abnutzung des Stellorgans und über die Verläßlichkeit der Stellungsmeßsignale der Weg-Sensorik getroffen werden. Dabei können erfindungsgemäß die Stellungssignale beider Sensoren untereinander verglichen werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird insbesondere der Zeitpunkt eines Wechsels der Stellbewegungsrichtung sowohl für das antreibende Bauteil als auch für das antreibbare Bauteil ermittelt. Die zeitliche Verzögerung der Wechsel der Stellbewegungsrichtung des antreibenden und antreibbaren Bauteils gibt Auskunft über die Größe des Kopplungsspiels. Auf diese Weise kann ein kritisches Kopplungsspiel auch dann erfaßt werden, wenn ein solches visuell oder akustisch nicht ermittelbar ist.
Bei einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die Stellungen des antreibenden und antreibbaren Bauteils während einer vorzugsweise gesamten Stellbewegung in einer Stellrichtung ermittelt. Aufgrund von Stellwiderstandskräften, die sich aus Betriebskräften und durch Abnutzung zunehmenden Reibungskräften zusammensetzen, stellt sich eine insbesondere durch elastische Verformung verursachte Weg-Zeit-Verzögerung des antreibbaren Bauteils gegenüber dem antreibenden Bauteil ein. Erfindungsgemäß ist diese Verzögerung zu ermitteln. Die Interpretations- und/oder Auswerteinrichtung kann unter Berücksichtigung der bekannten Betriebskräfte und anderer unveränderlichen Betriebsparameter, wie des Elastizitätsmoduls, anhand der parallelen ermittelten Stellungsverläufe typische und untypische Abnutzungszustände des Stellorgans identifizieren.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann sowohl die zeitliche Differenz bei einer Stellrichtungswechsel als auch eine Weg- oder Winkeldifferenz während einer kontinuierlichen Stellbewegung überwacht werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung, wenn die Differenzwerte mit einem vorab bestimmten Erfahrungsgrenzwert verglichen werden, bei dessen Überschreitung ein Warnsignal ausgegeben wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Sensorik in einem Gehäuse allseitig geschlossen untergebracht, das als eine den Stellantrieb und das Stellorgan starr miteinander verbindende Vorrichtung ausgeführt ist. Mit dieser Anordnung können die Meßvorgänge der Sensoren direkt an den Bauteilen vorgenommen werden, deren Position zu ermitteln ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung eines Reglergehäuses zwischen der Armatur und dem Antrieb ist insofern von Vorteil, als der Großteil der für eine Regelung notwendigen Betriebsgrößen am jeweiligen Entstehungsort abgegriffen werden können. Beispielsweise kann ein Schallsensor direkt dem Stellglied der Armatur zugeordnet werden, um eventuelle Undichtigkeiten eines Stellglieds des Stellorgans im geschlossenen Zustand feststellen zu können. Desweiteren kann ein Drucksensor dem Stellorgan zugeordnet sein, um die Dichtheit am Durchgang des dort austretenden Stellglieds untersuchen zu können. Schließlich kann ein weiterer Sensor zum Überprüfen des statischen Drucks eines im Antrieb herrschenden Arbeitsfluids vorgesehen sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Weg-Sensor eine auf im wesentlichen punktuellen Druck ansprechende Sensorfolie auf. Die Sensorfolie kann sowohl an dem antreibenden und/oder antreibbaren Bauteil als auch an einem dem antreibenden und/oder antreibbaren Bauteil umgebenden ortsfesten Gehäuseabschnitt befestigt sein. Die Sensorfolie zeichnet sich durch eine besonders flache Bauart aus und kann sehr hohen Umgebungsdrücken ohne Beeinträchtigung der Meßergebnisse ausgesetzt werden. Die Sensorfolie umfaßt abtastseitig eine Schutzfolie, die eine leitfähige Schicht bedeckt, die in einem Abstand von einem herkömmlichen Potentiometer angeordnet ist, der an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Schutzfolie sowie die leitfähige Schicht sind elastisch verformbar ausgestaltet. Die Sensorfolie ist einem insbesondere ortsfest angebrachten Schleifer zugeordnet, der eine vorbestimmbare Druckkraft auf die Sensorfolie ausübt. Zwei im wesentlichen an den Enden der Sensorfolie angeordnete Kontakte sind zum Abgreifen einer elektrischen Größe, wie des Widerstands, der Stromstärke oder der Spannung, bestimmt. Jede Position der Druckstelle des Schleifers an der Sensorfolie erzeugt einen einer bestimmten Stellung des antreibenden Bauteils entsprechenden Meßwert. Diese Sensorfolien-Anordnung ist insofern von Vorteil, als beispielsweise in der Nähe befindliches Fett oder Öl die Meßwerte der Sensorfolie nicht beeinflußt und die Sensorfolie aufgrund ihrer anpassbaren Geometrie und einer selbstklebenden, der Schutzfolie gegenüberliegenden Klebeschicht leicht montierbar ist.
Bei einer alternativen Ausführung des Sensors ist eine berührungslos abtastende Magnet-Fluid-Bahn vorgesehen. Die Magnet-Fluid-Bahn besteht insbesondere aus einer im wesentlichen kanal- oder schlauchförmigen Fluidbahn, die ein Trägerfluid, insbesondere eine Trägerflüssigkeit, das vorzugsweise ein migrierendes Öl ist, und in der Fluidbahn suspendierte magnetisierbare Teilchen, wie einem Ferrit-Pulver, hält. Der Fluidbahn kann ein Magnet zugeordnet sein, so daß sich die magnetisierbaren Teilchen an einem dem Magneten proximalen Bereich der Fluidbahn sammeln, wodurch es in diesem Bereich zu einer höheren Teilchenkonzentration kommt. In Abhängigkeit von der Position des Bereichs erhöhter Teilchenkonzentration können unterschiedliche elektrische Meßgrößen an den Meßkontakten abgegriffen werden, die im wesentlichen an dem Ende der Fluidbahn angeordnet sind. Die Fluidbahn kann an dem antreibenden und/oder antreibbaren Bauteil sowie an einem ortsfesten Gehäuse abschnitt angebracht sein, wobei der Magnet entsprechend an einer gegenüberliegenden Stelle der Fluidbahn vorzusehen ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stellantrieb-Stellorgan-Sensorik-Aordnung;
2 ein Winkeldifferenz-Zeit-Diagramm der Meßsignale eines ersten und zweiten Sensors der Sensorik; und
3 ein weiteres Winkeldifferenz-Zeit-Diagramm von Meßsignalen eines funktionstüchtigen zweiten und eines ausgefallenen ersten Sensors.
In 1 ist schematisch ein Schwenkantrieb 1 angedeutet, der pneumatisch betrieben ist. Aus dem Gehäuse 3 des Schwenkantriebs 1 ragt durch eine Ausgangsöffnung eine Antriebswelle 5. An der Ausgangsöffnung des Gehäuses 3 sind nicht dargestellte Dichtungen vorgesehen, die den Innenraum des Gehäuses 3 fluiddicht gegenüber Atmosphäre abdichten.
Über eine Paßfeder-Nut-Verbindung 7 ist eine Stellwelle 9 mit der Antriebswelle 5 lösbar verbunden. Die Stellwelle 9 dient dazu, Antriebsbewegungen des Schwenkantriebs 1 auf ein Stellglied (nicht näher dargestellt) eines schematisch angedeuteten Ventils 11 zu übertragen. Das Ventil 11 regelt die Strömung eines in einer Leitung 13 geführten, nicht näher angedeuteten Prozeßfluids.
Das ortsfeste Ventilgehäuse 17 trägt die Schwenkarmatur 1 über eine die Antriebswelle 5 sowie die Stellwelle 9 teilweise umgebende Konsole 15, die über Flanschbereiche 17 einerseits mit dem Gehäuse 3 des Schwenkantriebs 1 anderseits mit dem Gehäuse 17 des Ventils 11 verschraubt ist. Die geschlossene rohrförmige Wand der Konsole 15 und die sich gegenüber liegenden Stirnwände 16 bzw. 18 der Gehäuse 3 bzw. 17 begrenzen einen allseitige fluiddicht geschlossenen Raum 19.
Der Raum 19 dient als Unterbringung insbesondere für die zur Regelung des Prozeßfluidflusses, insbesondere zum Erfassen von für die Prozeßfluidfluß-Regelung notwendigen Regelgrößen, wie die Stellung des Stellglieds des Ventils 11, notwendigen Sensorik.
An der Kopplungsschnittstelle 21 von Antriebswelle 5 und Stellwelle 9 ist ein Sensorpaar bestehend aus einem ersten Sensor 23, der die Stellung der Antriebswelle 5 durch unmittelbares Zugreifen auf die Antriebswelle 5 ermittelt, und einen zweiten Sensor 25, der die Stellung der Stellwelle 9 durch unmittelbaren Abgriff auf die Stellwelle 9 ermittelt. Der Sensor 23 ist als induktiv arbeitender Sensor mit Schlitzinitiator ausgebildet, während der Sensor 25 als Ringbahn ausgeführt ist, welche die Stellwelle 9 umgibt.
Die diversitären Sensoren 23 und 25 sind betriebsmäßig mit einer Elektronik 27 verbunden, welche eine Interpretationseinrichtung (nicht dargestellt), eine Regelungseinrichtung, eine Überwachungseinrichtung und/oder eine Diagnoseeinrichtung aufweisen kann.
Die Elektronik 27 kann eine Regelgröße an den Schwenkantrieb 1 abgeben, um eine Ausgleichsbewegung zum Stellen des Ventils 11 in eine gewünschte Position zu veranlassen. Desweiteren kann die Elektronik mit einem Warnsignalgeber (nicht dargestellt) verbunden sein, der bei Überschreitung von bestimmten Meßgrößen-Sollwerten ein Warnsignal erzeugen kann.
In den Diagrammen der 2 und 3 wird das erfindungsgemäße Zusammenwirken des Sensorpaars aufgezeigt, mit dem nicht nur die mechanische Verbindung 7 der Antriebswelle 5 und der Stellwelle 9 überprüft werden kann, sondern auch Beschädigungen an dem Stellglied des Ventils 11 feststellbar sind und auch die Zuverlässigkeit der Meßgrößen der Sensoren 23 und 25 überprüfbar sind.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Winkelstellung φ der Antriebswelle 5 bzw. der Stellwelle 9 mittels des ersten Sensors 23 bzw. 25 auf. Der Verlauf des Stellwinkels φ₁ repräsentiert Stellungsmeßsignale des zweiten Sensors 23, wobei der Stellwinkelverlauf φ₂ Stellungsmessungen des Sensors 25 an der Stellwelle 9 repräsentiert.
Zum Zeitpunkt t₁ ist eine Drehbewegung aufgrund der Änderung des Drehwinkels φ₁ ersichtlich. Zum Zeitpunkt t₁ befindet sich die Stellwelle 9 aufgrund des mechanischen Spiels an der Verbindung 7 von Stellwelle 9 und Antriebswelle 5 in Ruhe. Das quantitative Ausmaß des mechanischen Spiels an den mechanischen Kopplungsschnittstellen von Antriebs- und Stellwelle kann über die seitliche Differenz t₂–t₁ ermittelt werden. Nach Überwindung des mechanischen Spiels ändert sich die Winkelposition φ₂ der angetriebenen Stellwelle 9 entsprechend der Antriebswelle 5. Wie in 2 dargestellt ist, verlaufen die Winkelpositionen φ₁ und φ₂ im wesentlichen parallel zueinander (entsprechend der durchgezogenen Linie), wobei klar ist, daß die beiden Linien zueinander leicht divergierend insofern liegen, als aufgrund von Betriebskräften beim Stellen des Ventils 11 eine elastische Verformung des strukturellen Bereichs der Stell- und Antriebswelle zwischen den Sensoren 23 und 25 einhergeht.
Zum Zeitpunkt t₃ wird eine Bewegung der Antriebswelle 5 umgekehrt, um beispielsweise das Ventil 11 wieder zu öffnen. Zum Zeitpunkt t₃ endet auch die Schließstellbewegung der Stellwelle 9. Wegen des mechanischen Spiels wird die öffnende Stellbewegung erst nach einer Zeitdifferenz t₄–t₃ auf die Stellwelle 9 übertragen.
Als Maß für das Fortschreiten von Abnutzungserscheinungen an der mechanischen Kopplung 7 zwischen Antriebswelle 5 und Stellwelle 9 kann die Zunahme der zeitlichen Differenz angesehen werden, die von den beiden Sensoren bei einem Richtungswechsel der Stellbewegung des Schwenkantriebs 1 ermittelbar ist.
Sollte die als auch als zeitliche Verzögerung bezeichenbare Differenz (t_n–t_n-1) größer als ein bestimmter Sollwert sein, der beispielsweise in einer Elektronik 27 gespeichert ist, kann ein Warnsignal ausgegeben werden, das einen unzulässigen Verschleiß an der Kupplungsverbindung 7 andeutet.
Im Folgenden wird ein Diagnose- oder Überwachungsverfahren anhand der Meßgrößen der Sensoren 23 und 25 beschrieben, bei dem Schäden an dem Ventil 11 erkannt werden können.
In 2 ist ein von der durchgehend gezeichneten Ideallinie der Winkelstellung φ₁ und φ₂ abweichender, strichliert dargestellter Winkelverlauf φ_1S und φ_2S dargestellt. Dieser Winkelpositionsverlauf φ_1S und φ_2S ist dann typisch, wenn die Stellbewegung des Stellglieds des Ventils beispielsweise durch Abnutzung oder ein Fremdkörper kurzzeitig behindert oder blockiert ist. Zum Zeitpunkt t₅ wird die Schwenkbewegung der Stellwelle 9 aufgrund des Widerstands verzögert, wobei nach dem Überwinden des Hindernisses zum Zeitpunkt t₆ ein hindernisfreier Betrieb des Ventils möglich ist. Mit diesem charakteristischen Stellungswinkelverlauf φ_1S und φ_2S kann ein Schaden an der Stellkörperanordnung des Ventils diagnostiziert werden. Wegen des parallelen Verlaufs φ₁ und φ₂ ist ein Schaden an einem der Sensoren ausschließbar.
In 3 sind gemäß dem Winkelpositions-Zeitdiagramm Winkelpositionsverläufe φ_a und φ_b ersichtlich. Die beiden Positionswinkelverläufe φ_a und φ_b unterscheiden sich deutlich voneinander, wodurch auf eine Fehlfunktion eines der Sensoren geschlossen werden kann. Würden beide Sensoren den selben untypischen Verlauf aufweisen, wie bei φ_a angedeutet ist, dann ist davon auszugehen, daß beide Sensoren funktionsgerecht arbeiten und ein Schaden am Stellglied zu vermuten ist. In dem in 3 dargestellten Fall ist anzunehmen, daß der erste Sensor 23 zum Abgreifen der Stellung der Antriebswelle 5 schadhaft ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

1: Schwenkantrieb
3: Gehäuse
5: Antriebswelle
7: Paßfeder-Nut-Verbindung
9: Stellwelle
11: Ventil
13: Leitung
15: Konsole
17: Flanschbereich
19: geschlossener Raum
21: Kopplungsschnittstelle
23: erster Sensor
25: zweiter Sensor
27: Elektronik
φ: Winkelstellung
φ₁, φ₂: Stellwinkelverlauf
φ_1S, φ_2S: Winkelpositionsverlauf
φ_a, φ_b: Winkelpositionsverlauf
t_n: Zeitpunkt

Claims

Pneumatischer Schwenkantrieb zum Stellen eines Stellorgans, wie eines Ventils (11), mit einer Antriebswelle (5), die über eine Kopplungsschnittstelle (21) mit einer Stellwelle (9) des Stellorgans lösbar gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Sensorik mit einem ersten Weg-Sensor (23) zum Erfassen der Stellung der Antriebswelle (5) und einem zweiten Weg-Sensor (25) zum Erfassen der Stellung der Stellwelle (5) ausgestattet ist, – der erste Sensor (23) eine Weg-Abgreifstelle an der Antriebswelle (5) benachbart der Kopplungsschnittstelle (21) und der zweite Sensor (25) eine Weg-Abgreifstelle an der Stellwelle (9) benachbart einer Kopplungsschnittstelle umfassen, – der erste und zweite Sensor (23, 25) mit einer Einrichtung zum Vergleichen der Sensorsignale verbunden sind, – eine Einrichtung zum Interpretieren und/oder Auswerten eines Vergleichssignals der Vergleichseinrichtung als kinematische Verzögerung zwischen der Antriebswelle (5) und der Stellwelle (9), insbesondere zum Interpretieren einer Winkeldifferenz zwischen der Antriebswelle (5) und der Stellwelle (9), sowie eine Einrichtung zum Überwachen der kinematischen Verzögerung vorgesehen sind und – ein Warnsignalgeber vorgesehen ist, der insbesondere bei Überschreitung eines Grenzwerts für die kinematische Verzögerung aktivierbar ist.
Schwenkantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein induktiv arbeitender Sensor beispielsweise mit einem Schlitzinitiator und/oder mindestens ein potentiometrischer Sensor vorgesehen sind, der insbesondere als Ringbahn um das rotationsförmige antreibende Bauteil und/oder das rotationsförmige antreibbare Bauteil angeordnet ist.
Schwenkantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorpaar diversitär ist.
Schwenkantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungen der Antriebswelle und des antreibbaren Bauteils im wesentlichen simultan erfaßbar sind.
Schwenkantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Antriebswelle (5) und die Stellung der Stellwelle (9) bei einem Wechsel der Stellbewegungsrichtung des Antriebs erfaßbar sind.
Schwenkantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß über die zeitliche Verzögerung ein mechanisches Spiel einer Kopplung zwischen dem antreibenden Bauteil und dem antreibbaren Bauteil bestimmbar ist.
Schwenkantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über eine ermittelte Stellwegverzögerung ein in dem Stellorgan herrschender Stellwiderstand, insbesondere eine Stellreibung, identifizierbar ist, insbesondere im Falle einer Drehstellbewegung unter Berücksichtigung des Torsionselastizitätsmoduls der Antriebs- (5) und Stellwelle (9).
Schwenkantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsverlauf der Antriebswelle (5) und/oder der Stellwelle (9) mit einem Referenzverlaufssignal vergleichbar ist, das im wesentlichen bei einem korrekt funktionierenden Sensor hervorgerufen wird.
Schwenkantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diagnosesignal erzeugbar ist, wenn ein Stellungssignalverlauf eines der beiden Sensoren von einem Sollstellungsverlauf über ein insbesondere vorbestimmbares Toleranzmaß abweichen sollte.