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Die Erfindung betrifft ein Stellventil gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
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Stellventile werden zur Regelung von Stoffströmen in Anlagen der chemischen Industrie, Erdölchemie, Kraftwerken und anderen Bereichen eingesetzt. Sie haben in der Regel ein Gehäuse, in dem sich ein fest eingespannter oder eingeschraubter Ventilsitz und ein beweglich gelagertes Ventilglied oder ein Ventilkörper befindet. Das Ventilglied wird in der Regel mittels einer Ventilstange bewegt, die in einem Ventilgehäuse geführt gelagert ist. Durch den Abstand des Ventilglieds zum Ventilsitz wird der Stoffstrom durch das Stellventil festgelegt und geregelt.
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Als Folge von Verschleiß oder Beschädigungen kann es zu Leckagen bei Stellventilen kommen. Diese Leckagen verursachen Erschütterungen, die auf mit dem Stellventil verbundene Bauteile übertragen werden. Diese Leckagen werden bekanntermaßen über eine Sensorvorrichtung erfasst und erkannt.
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Bekannt ist, dass zur Erkennung einer Leckage an Stellventilen eine Sensorvorrichtung verwendet wird, bei der ein Körperschallsensor am Rahmen des Stellventils angeordnet ist. Der Körperschallsensor ist mit einem Stellungsregler des Stellventils verbunden. Der durch den Leckagestrom erzeugte Fluidschall bzw. der an ein Ventilgehäuse und den Rahmen des Stellventils übertragene Körperschall wird mittels des Körperschallsensors gemessen und korreliert mit der Höhe des Leckagestroms.
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Weiterhin ist aus der
EP 2 867 737 B1 bekannt, dass zur Leckageerkennung mehrere Vibrationssensoren über ein Stellventil verteilt angeordnet sind, insbesondere am Rahmen des Stellventils.
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Die
US 5,650,943 A offenbart eine Anordnung von Sensoren zur Erfassung von akustischen Signalen an mehreren Stellen entlang der Prozessrichtung einer Prozessanlage, wobei Sensoren entlang der Prozessrichtung vor und nach einem Ventil angeordnet sind.
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Nachteilig an dieser Vorrichtung mit lediglich einem Sensor ist, dass umgebende Störgeräusche, beispielsweise durch benachbarte Ventile oder andere Störquellen aus der Anlage, ebenfalls von dem Sensor aufgenommen werden, so dass bei kleinen Leckageströmen keine zuverlässige Unterscheidung vorgenommen werden kann, ob eine Leckage vorliegt oder das Störgeräusch zu laut war. Denkbar wäre eine Kalibrierung mit den Störgeräuschen der Anlage durchzuführen, um eine auftretende Leckage zuverlässig zu detektieren. Hierdurch können aber nur größere Leckagen erkannt werden. Kleinere Leckagen werden nicht mehr erkannt. Zudem könnten so nur kontinuierlich auftretende Störgeräusche herausgefiltert werden.
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Durch den Einsatz mehrerer Körperschallsensoren kann der Leckagestrom unabhängig von äußeren Störgeräuschen detektiert werden. Dazu wird ein Körperschallsensor vor dem Stellventil angeordnet. Bei einer Leckage entstehender Körperschall breitet sich von einem Ventilsitz des Stellventils als Ort der Leckage aus. Durch Dichtungen und Befestigungsmittel, welche zwischen miteinander verbundenen Bauteilen des Stellventils, beispielsweise Ventilgehäuse und Rahmen, oder der Prozessanlage angeordnet sind, wird der Körperschall gedämpft. Dies führt zu einer Reduktion der Sensitivität der Messung, also der Messempfindlichkeit. Hierdurch wird die Leckageerkennung erschwert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellventil gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Leckage unabhängig von der äußeren Geräuschkulisse mit hoher Sensitivität detektiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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In bekannter Art und Weise umfasst ein Stellventil für eine Prozessanlage ein Ventilgehäuse, das eine Eintrittsöffnung, eine Austrittsöffnung und eine Drosselöffnung aufweist. Das Stellventil ist mit einem Ventilglied versehen, das an seinem freien Ende ein Drosselelement aufweist. Das Drosselelement verschließt in zumindest einem Betriebszustand die Drosselöffnung für ein durchströmendes Fluid durch Aufliegen des Drosselelements auf einem Ventilsitz. Das Drosselelement kann dabei unter anderem verschiebbar oder drehbar im Ventilgehäuse gelagert sein. Das Stellventil ist mit einer Sensoreinheit versehen, die bei einer im Bereich der Drosselöffnung auftretenden Leckage eine Änderung von über das Prozessfluid auf das Ventilgehäuse übertragenden Schallwellen detektiert. Die Sensoreinheit umfasst zumindest zwei Körperschallsensoren. Erfindungsgemäß sind die Körperschallsensoren, insbesondere zumindest im Wesentlichen unmittelbar, an dem Ventilgehäuse angeordnet.
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Durch die Anordnung der Körperschallsensoren am Ventilgehäuse ist eine direkte, ungedämpfte Aufnahme von Körperschallwellen innerhalb des Stellventils möglich.
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Vorzugsweise ist das Stellventil dazu vorgesehen, eine Strömung eines Prozessfluids zu regeln. Bevorzugt ist das Stellventil dazu vorgesehen, durch die Eintrittsöffnung des Ventilgehäuses Prozessfluid aufzunehmen und eine Strömung des Prozessfluids durch die Drosselstelle zur Austrittsöffnung zu regeln, insbesondere mittels des Drosselelements. Der Ventilsitz ist vorzugsweise in das Ventilgehäuse eingelegt und an dem Ventilgehäuse befestigt oder einteilig mit dem Ventilgehäuse ausgebildet. Insbesondere umfasst die Sensoreinheit zumindest einen ersten Körperschallsensor und zumindest einen zweiten Körperschallsensor. Es ist denkbar, dass die Sensoreinheit mehr als einen ersten Körperschallsensor und/oder mehr als einen zweiten Körperschallsensor umfasst. Vorzugsweise weisen die Körperschallsensoren jeweils eine Anlagefläche auf, die insbesondere zu einer Erfassung der übertragenen Schallwellen vorgesehen ist. Bevorzugt sind die Körperschallsensoren derart an dem Ventilgehäuse angeordnet, dass die Anlageflächen der Körperschallsensoren jeweils zumindest größtenteils, insbesondere zumindest im Wesentlichen vollständig, flächig an der Oberfläche des Ventilgehäuses anliegen.
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Besonders bevorzugt ist der erste Körperschallsensor der Sensoreinheit entlang einer Prozessrichtung vor der Drosselöffnung und der zweite Körperschallsensor der Sensoreinheit entlang der Prozessrichtung hinter der Drosselöffnung angeordnet. Hierdurch können Signale vor und nach der Drosselöffnung detektiert werden. Unter der Prozessrichtung soll insbesondere eine Richtung verstanden werden, entlang derer sich das Prozessfluid in zumindest einem Betriebszustand durch das Stellventil bewegen kann. Insbesondere ist die Prozessrichtung im Wesentlichen schräg oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Bewegungsachse des Drosselelements ausgerichtet.
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Vorzugsweise sind mehrere erste Körperschallsensoren und/oder mehrere zweite Körperschallsensoren vorgesehen. Insbesondere sind die ersten und/oder zweiten Körperschallsensoren an unterschiedlichen Orten am Ventilgehäuse angebracht. Hierdurch wird eine hohe Sensitivität der Körperschallmessung in einem großen Bereich des Stellventils realisiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung weist das Ventilgehäuse im Bereich der Eintrittsöffnung ein Verbindungelement, insbesondere einen Eintrittsflansch, auf. Ein erster Körperschallsensor der Sensoreinheit ist dabei an dem im Bereich der Eintrittsöffnung angeordneten Verbindungselement angeordnet. Dadurch kann der erste Körperschallsensor vorteilhaft zugänglich am Ventilgehäuse angeordnet werden. Es kann eine vorteilhafte einfache Verbindung des ersten Körperschallsensors ermöglicht werden, insbesondere beabstandet von Befestigungsmitteln, wie Schrauben, Muttern oder dergleichen, an dem Verbindungselement. Bevorzugt ist das Verbindungselement dazu vorgesehen, das Stellventil mit einem weiteren Bauteil der Prozessanlage zu verbinden, wobei insbesondere die Eintrittsöffnung fluiddicht mit einem Fluidkanal des jeweiligen weiteren Bauteils verbunden ist.
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Bevorzugt weist das Ventilgehäuse im Bereich der Austrittsöffnung ein, insbesondere weiteres, Verbindungselement, einen Austrittsflansch, auf. Ein zweiter Körperschallsensor der Sensoreinheit ist dabei an dem im Bereich der Austrittsöffnung angeordneten, insbesondere weiteren, Verbindungselement angeordnet. Dadurch kann der zweite Körperschallsensor vorteilhaft zugänglich am Ventilgehäuse angeordnet sein. Es kann eine vorteilhafte Verbindung des zweiten Körperschallsensors ermöglicht werden, insbesondere beabstandet von Befestigungsmitteln, wie Schrauben, Muttern oder dergleichen, an dem Verbindungselement. Durch die Anordnung der Körperschallsensoren jeweils an einem der Verbindungselemente des Ventilgehäuses kann eine vorteilhafte Anordnung der Körperschallsensoren jeweils in einem im Wesentlichen ähnlichen Abstand zu dem Ventilgehäuse geführten Prozessfluid erreicht werden. Bevorzugt ist das im Bereich der Austrittsöffnung angeordnete, insbesondere weitere, Verbindungselement dazu vorgesehen, das Stellventil mit einem anderen, weiteren Bauteil der Prozessanlage zu verbinden, wobei insbesondere die Austrittsöffnung fluiddicht mit einem Fluidkanal des jeweiligen anderen, weiteren Bauteils verbunden ist.
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Vorzugsweise weist das Ventilgehäuse eine Verbindungsschnittstelle, insbesondere einen Flansch, zu einer Befestigung eines Ventilaufbaus des Stellventils, insbesondere umfassend eine Halterung, ein Isolierelement, einen Stellungsregler und/oder einen Antrieb des Stellventils, an dem Ventilgehäuse auf. Zumindest einer der Körperschallsensoren der Sensoreinheit ist im Bereich der Verbindungsschnittstelle angeordnet, insbesondere ein zweiter Körperschallsensor. Über die Verbindungsschnittstelle kann das Ventilgehäuse mit weiteren Komponenten des Ventilaufbaus verbunden werden. Durch die Anordnung des Körperschallsensors im Bereich der Verbindungsschnittstelle kann der Körperschallsensor, insbesondere der zweite Körperschallsensor, vorteilhaft zugänglich am Ventilgehäuse angeordnet werden. Es kann eine vorteilhaft einfache Verbindung des Körperschallsensors ermöglicht werden, insbesondere beabstandet von Befestigungsmitteln, wie Schrauben, Muttern oder dergleichen, an dem Verbindungselement und/oder durch die Nähe zu weiteren zu versorgenden Bauteilen des Stellventils, wie vorzugsweise dem Stellungsregler. Der Körperschallsensor kann vorteilhaft zusammen mit den zu versorgenden Bauteilen des Stellventils, wie vorzugsweise dem Stellungsregler, versorgt werden. Zudem ist die Verbindungsschnittstelle üblicherweise kein genormtes bzw. standardisiertes Bauteil, wie ein Druckflansch oder dergleichen, und kann daher korrespondierend zu einer Geometrie des Körperschallsensors ausgebildet werden. Dadurch kann bei der Anordnung an der Verbindungsschnittstelle ein vorteilhaft ebenflächiges Anliegen des Körperschallsensors an dem Ventilgehäuse ermöglicht werden. Insbesondere ist der Ventilaufbau als Teil des Stellventils ausgebildet. Bevorzugt bildet das Ventilgehäuse über eine Außenfläche im Bereich der Verbindungsschnittstelle zumindest eine Anlegefläche zu einer Anordnung einer der Körperschallsensoren, insbesondere des zweiten Körperschallsensors, aus. Vorzugsweise ist die Anlegefläche im Wesentlichen eben ausgebildet. Bevorzugt ist die Anlegefläche im Wesentlichen korrespondierend zu der Anlagefläche des jeweiligen an der Verbindungsstelle anzuordnenden Körperschallsensors ausgebildet.
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Um ein einfaches Anbringen und Austauschen der Körperschallsensoren zu ermöglichen, sind die Körperschallsensoren an einer Außenseite des Ventilgehäuses, insbesondere an einem Verbindungselement und/oder im Bereich der Verbindungsschnittstelle des Ventilgehäuses, angeordnet. Insbesondere ist die Außenseite des Ventilgehäuses abgewandt und/oder beabstandet von einem das Prozessfluid führenden Innenraum des Ventilgehäuses ausgebildet. Insbesondere ist die Außenseite des Ventilgehäuses in einem normierten Betriebszustand des Stellventils von außen zugänglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung umfasst die Sensoreinheit Befestigungsmittel. Die Befestigungsmittel sind zur zerstörungsfreien, lösbaren Verbindung, insbesondere mittels einer Schraub- oder Steckverbindung, der Körperschallsensoren am Ventilgehäuse vorgesehen. Hierdurch lassen sich die Körperschallsensoren einfach und ohne Beschädigungen des Ventilgehäuses austauschen. Beispielsweise sind die Befestigungsmittel als Schrauben, Klebeflächen, Saugnäpfe oder dergleichen ausgebildet. Insbesondere sind die Befestigungsmittel dazu vorgesehen, zu einer Befestigung der Körperschallsensoren an dem Ventilgehäuse, insbesondere der Außenseite bzw. der Anlegefläche des Ventilgehäuses, zusammenzuwirken. Insbesondere bei einer Anordnung eines der Körperschallsensoren an einem der Verbindungselemente des Ventilgehäuses sind die Befestigungsmittel zu einem Befestigen des jeweiligen Körperschallsensors zu einer im Wesentlichen reinen kraftschlüssigen Verbindung vorgesehen. Insbesondere sind die Verbindungselemente des Ventilgehäuses an der Außenseite, insbesondere mit Ausnahme von Durchführungen im Verbindungselement zur Befestigung des Stellventils selbst, im Wesentlichen ausnehmungsfrei ausgebildet.
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Bevorzugt ist zumindest einer der Körperschallsensoren als ein Körperschallmikrofon, vorzugsweise als ein Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer oder als ein Schwingwegaufnehmer, ausgebildet. Es können auch alle Körperschallsensoren der Sensoreinheit jeweils als Körperschallmikrofon ausgebildet sein. Hierdurch können auf einfache Art und Weise Schwingungsschäden am Stellventil detektiert werden.
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Vorzugsweise ist zumindest einer der Körperschallsensoren als ein piezoelektrischer Sensor ausgebildet. Insbesondere können auch alle Körperschallsensoren der Sensoreinheit jeweils als ein piezoelektrischer Sensor ausgebildet sein. Hierdurch wird eine Langzeitstabilität der Sensoren gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung umfasst die Sensoreinheit eine Auswerteeinheit, die zumindest einen Frequenzfilter, insbesondere einen Hochpassfilter, für von den Körperschallsensoren erfasste Signale aufweist. Hierdurch werden nicht relevante Frequenzen unterhalb des angestrebten Frequenzbereichs gedämpft. Es ist denkbar, dass die Auswerteeinheit an dem Stellventil angeordnet ist, beispielsweise als Teil des Ventilaufbaus. Alternativ ist es denkbar, dass die Auswerteeinheit außerhalb des Stellventils ausgebildet ist.
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Bevorzugt umfasst die Sensoreinheit eine Auswerteeinheit, die derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von der über die Körperschallsensoren erfassten Änderung der über das Prozessfluid auf das Ventilgehäuse übertragenen Schallwellen eine Leckage im Bereich der Drosselöffnung detektiert werden kann. Durch die Auswerteeinheit ist eine einfache Detektion von Leckagen aus den Signalen der Körperschallsensoren möglich. Insbesondere breiten sich Schallwellen, die beispielsweise durch eine Leckage an der Drosselstelle entstehen, über das Prozessfluid in Prozessrichtung stärker aus als gegen die Prozessrichtung. Bevorzugt wird bei einem Auftreten von im Bereich der Drosselöffnung auf das Ventilgehäuse übertragenen Schallwellen, die insbesondere durch eine Leckage bewirkt sind, an dem zweiten Körperschallsensor eine stärkere Änderung eines erfassten Körperschallsignals gemessen als an dem ersten Körperschallsensor. Bevorzugt ist die Sensoreinheit, insbesondere die Auswerteeinheit, dazu vorgesehen, zur Erkennung einer Leckage eine Differenz der von den Körperschallsensoren, insbesondere dem ersten Körperschallsensor und dem zweiten Körperschallsensor, erfassten Signalen zu ermitteln. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit, insbesondere die Auswerteeinheit, dazu vorgesehen, eine Leckage zu erkennen, falls die ermittelte Differenz der Signale der Körperschallsensoren, insbesondere des ersten Körperschallsensors und des zweiten Körperschallsensors, einen hinterlegten Grenzwert überschreitet. Es ist denkbar, dass die Sensoreinheit, insbesondere die Auswerteeinheit, dazu vorgesehen ist, den Grenzwert der Differenz zu ermitteln und/oder zu hinterlegen, beispielsweise in einem Betriebszustand ohne Leckage, insbesondere automatisch oder durch eine Benutzereingabe gesteuert.
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Vorzugsweise werden die Messsignale der Körperschallsensoren lediglich innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs verglichen, der Frequenzen zwischen 100 kHz und 400 kHz, insbesondere zwischen 150°kHz und 300°kHz, besonders bevorzugt zwischen 160°kHz und 250°kHz, umfasst. Hierdurch können Auswertezeiten verkürzt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung werden die Messsignale der Körperschallsensoren lediglich innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs verglichen, wobei die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass der Frequenzbereich in zumindest einem Betriebszustand in Abhängigkeit von zumindest einem Messsignal einer der Körperschallsensoren selbsttätig bzw. automatisch angepasst wird. Durch eine automatische Anpassung ist eine mit Aufwand verbundene manuelle Anpassung des Frequenzbereichs je nach Anwendung hinfällig. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen, den Frequenzbereich in Abhängigkeit von einem lokalen oder gesamten Maximum des erfassten Signals der Körperschallsensoren, insbesondere des zweiten Körperschallsensors, anzupassen. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen, den Frequenzbereich derart anzupassen, dass ein maximaler Signalpegel innerhalb des Frequenzbereichs innerhalb eines vorgegebenen und/oder hinterlegten Wertebereichs des Signals liegt. Insbesondere ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen, Grenzen des Frequenzbereichs anzupassen, sodass Signalpeaks mit einem maximalen Wert außerhalb des angepassten Frequenzbereichs liegen. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die Auswerteeinheit dazu vorgesehen ist, den Frequenzbereich derart anzupassen, dass eine Differenz zwischen einem Maximum und einem Minimum des Signals innerhalb des Frequenzbereichs unterhalb des vorgegebenen und/oder hinterlegten Grenzwerts liegt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Leckageerkennungssystem mit einem erfindungsgemäßen Stellventil mit einer, insbesondere separat vom Stellventil ausgebildeten Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit und die Sensoreinheit sind derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit von über die Sensoreinheit erfassten Änderung von über das Prozessfluid auf das Ventilgehäuse übertragenen Schallwellen eine Leckage im Bereich der Drosselöffnung detektierbar ist. Durch das Leckageerkennungssystem lassen sich in mit einfacher Anordnung von Körperschallsensoren Leckagen mit hoher Ortsauflösung detektieren. Vorzugsweise ist es denkbar, dass die Auswerteeinheit im Wesentlichen analog zu der zuvor beschriebenen als Teil des Stellventils ausgebildeten Auswerteeinheit ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
- 1 eine Schnittansicht eines Stellventils mit angebrachten Körperschallsensoren;
- 2 eine schematische Ansicht einer Ventilanordnung für die Sensoranordnung am Stellventil;
- 3 ein beispielhaftes Differenzspektrum mit einer relativen Abweichung von vor und nach der Drosselstelle erfassten Körperschall-Spektren mit eingekoppelten Störgeräuschen mit einer herausgestellten Ansicht des bevorzugten Frequenzbereichs zur Leckage-Erkennung, und
- 4 eine Schnittansicht des Bereichs des Ventilgehäuses eines Stellventils mit möglichen alternativen Anordnungen von Körperschallsensoren.
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In 1 und 4 ist ein erfindungsgemäßes Stellventil 10 dargestellt, an dem eine Sensoreinheit 12 mit mehreren Körperschallsensoren 12a, 12b eines Leckageerkennungssystems 11 angebracht sind.
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2 zeigt eine Ventilanordnung für die Sensoranordnung am erfindungsgemäßen Stellventil 10.
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In der 3 ist ein resultierendes Differenzspektrum 14 vor und nach der Drosselstelle 16 der Körperschall-Spektren dargestellt.
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Das Stellventil 10 umfasst einen Stellantrieb 18, ein Stellglied 24 mit einem Drosselelement 24a am freien Ende, einen Ventilaufbau 19, der einen Rahmen 20 umfasst, ein Ventilgehäuse 22, einen Ventilsitz 26, eine Drosselstelle 16, eine Eintrittsöffnung 22a und eine Austrittsöffnung 22b (siehe 1). Das Stellventil 10 umfasst eine Sensoreinheit 12, die drei Körperschallsensoren 12a, 12b umfasst.
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Im Ventilgehäuse 22 sind die Eintrittsöffnung 22a und die Austrittsöffnung 22b vorgesehen. Zwischen Eintrittsöffnung 22a und Austrittsöffnung 22b ist die Drosselstelle 16 angeordnet. An der Drosselstelle 16 ist der Ventilsitz 26 eingebracht. Die Eintrittsöffnung 22a ist mit der Austrittsöffnung 22b über die Drosselstelle 16 strömungstechnisch verbunden.
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Das Stellglied 24, insbesondere das Drosselelement 24a, ist in axialer Richtung entlang einer Ventilachse 32 verschiebbar gelagert. Das Drosselelement 24a verschließt die Drosselstelle 16 für ein Prozessfluid in einem Betriebszustand im Wesentlichen komplett - Schließstellung - und in einem anderen Betriebszustand lediglich teilweise - Öffnungsstellung. Das Drosselelement 24a ist teilkegelförmig ausgebildet. In der Schließstellung liegt das Drosselelement 24a bereichsweise am Ventilsitz 26 an und unterbindet dadurch einen Durchfluss des Prozessfluids durch die Drosselstelle 16 und den Ventilsitz 26.
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Das Ventilgehäuse 22 ist über Befestigungsmittel mit dem Ventilaufbau 19, insbesondere dem Rahmen 20, verbunden. Der Rahmen 20 umfasst zwei zueinander parallel verlaufende Rahmenstangen 20a, 20b und am unteren Ende einen mit dem Ventilgehäuse 22 und den Rahmenstangen 20a, 20b verbundenen, das Stellglied 24 im Abstand umgreifenden Rahmenteller 20c. Der Rahmen 20 liegt an seinem dem Ventilgehäuse 22 abgewandten Ende am Stellantrieb 18 an. Der Stellantrieb 18 treibt das Stellglied 24 mit dem Drosselelement 24a an und bewegt dieses bedarfsweise zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung. Das Stellventil 10 umfasst einen Stellungsregler zur Steuerung des Stellantriebs 18 (in den Figuren nicht gezeigt), der insbesondere an dem Rahmen 20 befestigbar ist. Insbesondere ist der Stellungsregler als Teil des Ventilaufbaus 19 ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann am Ventilgehäuse 22 zusätzlich ein Isolierelement vorgesehen sein, das zu einer Abdichtung bzw. Isolierung zwischen dem Ventilgehäuse 22 und dem Ventilaufbau 19 vorgesehen ist.
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Am Ventilgehäuse 22 sind drei Körperschallsensoren 12a, 12b vorgesehen, nämlich ein erster Körperschallsensor 12a und zwei zweite Körperschallsensoren 12b. Ein erster Körperschallsensor 12a ist an einem die Eintrittsöffnung 22a umgreifenden, als Einlassflansch 28 ausgebildeten Verbindungselement des Ventilgehäuses 22 angeordnet. Der erste Köperschallsensor 12a ist dabei an einer Außenseite des Ventilgehäuses 22, insbesondere des Einlassflansches 28, angebracht. Ein zweiter Körperschallsensor 12b ist in Prozessrichtung 36 von der Eintrittsöffnung 22a zur Austrittsöffnung 22b hin am Ventilgehäuse 22 im Bereich einer Verbindungsschnittstelle 21 vom Ventilgehäuse 22 zum Rahmen 20 angeordnet. Ein weiterer zweiter Körperschallsensor 12b ist an einem die Austrittsöffnung 22b umgreifenden, als Auslassflansch 30 ausgebildeten weiteren Verbindungselement des Ventilgehäuses 22 angeordnet. Dieser zweite Körperschallsensor 12b ist dabei an der Außenseite des Ventilgehäuses 22, insbesondere des Auslassflansches 30, angebracht. Die Körperschallsensoren 12a, 12b sind jeweils flächig am Ventilgehäuse 22 angebracht. Die Körperschallsensoren 12a, 12b weisen jeweils eine Anlegefläche 12c auf, die insbesondere zu einer Erfassung der übertragenen Schallwellen vorgesehen ist. Die Verbindungselemente, insbesondere der Einlassflansch 28 und der Auslassflansch 30, sind vorzugsweise jeweils als üblicher Rohrleitungsflansch ausgebildet.
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Die Verbindungselemente, insbesondere der Einlassflansch 28 und der Auslassflansch 30, sind insbesondere jeweils als eine im Wesentlichen ringförmige Scheibe ausgebildet, mit der Leitungselemente der Prozessanlage, insbesondere Rohrleitungen, miteinander verbunden werden. Die Verbindungsschnittstelle 21 ist ebenfalls als ein Flansch ausgebildet, insbesondere jedoch unabhängig von genormten Abmessungen. Es sind auch andere Ausgestaltungen der Verbindungsschnittstelle 21 denkbar, beispielsweise als ein üblicher Rohrleitungsflansch oder als eine andere Verbindungsschnittstelle zum Befestigen des Ventilaufbaus 19 an dem Ventilgehäuse 22.
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Die Außenseiten des Einlassflanschs 28 und des Auslassflanschs 30 sind gleichmäßig gebogen. Denkbar ist auch, dass diese zumindest in einem Bereich der Anordnung der/eines Körperschallsensoren/s 12a, 12b eben ausgebildet sind. Der Bereich der Anordnung des Körperschallsensors 12a, 12b auf dem Verbindungselement oder der Verbindungsschnittstelle 21 ist als Anlagefläche 28d, 30d ausgebildet.
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In einer anderen Ausführungsform weist das Stellventil 10 lediglich zwei oder mehr als drei Körperschallsensoren 12a, 12b auf. In einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung umfasst die Sensoreinheit 12 des Stellventils 10 lediglich zwei Körperschallsensoren 12a, 12b, die an den zwei Verbindungselementen des Ventilgehäuses 22 angeordnet sind.
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Die Körperschallsensoren 12a, 12b sind über als Schrauben ausgebildete Befestigungsmittel mittels einer Schraubverbindung mit dem Ventilgehäuse 22 fest, aber lösbar verbunden. Auch andere zerstörungsfreie Verbindungsformen wie Steckverbindungen, Klebeverbindungen und/oder Saugverbindungen, wie beispielsweise über Sauger an der Außenseite, sind denkbar.
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Mindestens ein erster Körperschallsensor 12a und/oder ein zweiter Körperschallsensor 12b ist als Körperschallmikrofon, insbesondere als Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer ausgebildet. Mindestens ein weiterer erster Körperschallsensor 12a und/oder ein weiterer zweiter Körperschallsensor 12b ist als piezoelektrischer Sensor ausgebildet. Es sind auch andere Ausgestaltungen und/oder andere Ausgestaltungskombinationen der Körperschallsensoren 12a, 12b denkbar.
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Denkbar ist auch, dass mehrere erste Körperschallsensoren 12a an unterschiedlichen Orten am Ventilgehäuse 22, insbesondere im Bereich der Eintrittsöffnung 22a, angeordnet sind.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ventilanordnung 38 mit Körperschallsensoren 12a, 12b am erfindungsgemäßen Stellventil 10.
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Jeweils erste und zweite Körperschallsensor 12a, 12b sind dabei an verschiedenen Positionen am Ventilgehäuse 22 und ein zusätzlicher zweiter Körperschallsensor 12b am Rahmen 20 angeordnet. Dabei sind jeweils zwei erste Körperschallsensoren 12a im Bereich der Eintrittsöffnung 22a und zwei zweite Körperschallsensoren 12b im Bereich der Austrittsöffnung 22b angebracht.
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Die Ventilanordnung 38 ist als eine Teststrecke zum Erfassen des Spektrums mittels der Körperschallsensoren 12a, 12b unter üblichen Bedingungen einer Prozessanlage ausgebildet. Dabei werden Störgeräusche durch einen einlassseitigen Hahn 40 simuliert. In Prozessrichtung 36 vor dem Hahn 40 ist ein Durchflusssensor 42 in der Ventilanordnung 38 vorgesehen. In Prozessrichtung 36 nach dem Hahn 40 ist ein erster Drucksensor 44a angeordnet. In Prozessrichtung 36 nach dem Austrittsöffnung 22b ist ein zweiter Drucksensor 44b in die Ventilanordnung 38 eingebracht. Als Prozessfluid wird Druckluft aus einem Luftspeicher 46 verwendet. Der Luftspeicher 46 ist in Prozessrichtung 36 vor dem Durchflusssensor 42 angeordnet.
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Die Sensoreinheit 12, die die Körperschallsensoren 12a, 12b umfasst, weist eine Auswerteeinheit 17 auf (siehe 1), die einen Hochpassfilter umfasst. Die Auswerteeinheit 17 ist mit den einzelnen Körperschallsensoren 12a, 12b verbunden, insbesondere zu einem Übertragen von erfassten Signalen. Über die Auswerteeinheit 17 kann aus den durch die Körperschallsensoren 12a, 12b erfassten Änderungen der über das Prozessfluid auf das Ventilgehäuse 22 übertragenen Schallwellen eine Leckage im Bereich der Drosselstelle 16 detektiert werden. Für die Detektion einer Leckage wird die Differenz aus einem Messsignal eines ersten Körperschallsensors 12a und einem Messsignal eines zweiten Körperschallsensors 12b der Sensoreinheit 12 mit einem Referenzdifferenzwert verglichen. Die Auswerteeinheit 17 umfasst vorzugsweise eine Recheneinheit, wie einen Prozessor, einen Mikrocontroller, einen FPGA oder dergleichen. Die Auswerteeinheit 17 ist als Teil des Stellventils 10, insbesondere der Sensoreinheit 12, ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Auswerteeinheit 17 im Leckageerkennungssystem 11 geräteextern, insbesondere getrennt von dem Stellventil 10, ausgebildet ist. Beispielsweise ist es auch denkbar, dass die Auswerteeinheit 17 als Teil eines anderen Bauteils bzw. einer anderen Recheneinheit des Stellventils 10 ausgebildet ist, beispielsweise als Teil des Stellungsreglers oder einer anderen Messeinrichtung des Stellventils 10.
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Es werden Messsignale der Körperschallsensoren 12a, 12b lediglich in einem bestimmten Frequenzbereich von 100 bis 400 kHz, insbesondere im Bereich von 160 kHz bis 250 kHz, verglichen.
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Die Auswerteeinheit 17 ist so ausgebildet, dass der bestimmte Frequenzbereich in zumindest einem Betriebszustand in Abhängigkeit von zumindest einem Messsignal der Körperschallsensoren 12a, 12b selbsttätig bzw. automatisch angepasst wird. Diese dynamische Auswahl des Frequenzbereichs kann durch eine prozessspezifische Kalibrierung durch einen durch das Drosselelement 24a erzeugten leckageähnlichen Durchfluss erfolgen.
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In der 3 ist ein Differenzspektrum 14 mit einer relativen Abweichung über einen Frequenzbereich gezeigt. Die relative Abweichung ist auf der y-Achse in % angegeben. Die Frequenz ist auf der x-Achse in Hz angegeben. Das Differenzspektrum 14 wird aus zwei erfassten Körperschall-Spektren ermittelt, die vor und nach der Drosselstelle 16 erfasst wurden. Die relative Abweichung bildet sich aus dem Quotienten der Differenz des Signals mit Störgeräuschen und eines Referenzsignals ohne Störgeräusche und dem Referenzsignals ohne Störgeräusche. Der Quotient wird mit 100 multipliziert.
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3 zeigt einen vergrößerten Bereich zwischen 160 kHz und 230 kHz. In diesem Bereich des Differenzspektrums 14 sind kaum Störgeräusche erkennbar. Es ergibt sich ein flaches Signal. Dieser Bereich ermöglicht trotzdem eine Identifikation eines Leckagestroms trotz geringer Störgeräusche.
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Die relative Abweichung im Differenzspektrum 14 ist bei Frequenzen unter 100 kHz sehr groß und das Signal sehr instabil.
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Denkbar ist auch, einen anderen Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 400 kHz zur Erkennung von Leckagen zu verwenden.
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In der 4 ist eine Schnittansicht des Bereichs des Ventilgehäuses 22 eines Stellventils 10 mit einer alternativen Anordnung von Körperschallsensoren 12a, 12b dargestellt.
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Das Stellventil 10 weist eine andere Ausführungsform des Drosselelements 24a und des Ventilsitzes 26 im Vergleich zu dem Stellventil 10 aus 1 auf. Das Drosselelement 24a ist mit einer zylindrischen Grundform versehen. Das Drosselelement 24a weist bereichsweise eine Aussparung 24b auf. Das Drosselelement 24a durchsetzt die Drosselstelle 16 im verschlossenen Zustand komplett und ragt bereichsweise in den Bereich der Eintrittsöffnung 22a hinein.
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Der Ventilsitz 26 ist mehrteilig ausgebildet und weist ein erstes Teilelement 26a und ein zweites Teilelement 26b auf. Die Teilelemente 26a, 26b liegen aneinander und am Ventilgehäuse 22 fest an.
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Es sind verschiedene Positionen für Körperschallsensoren 12a, 12b schematisch am Ventilgehäuse 22 angeordnet. Erste Körperschallsensoren 12a sind am Einlassflansch 28 angeordnet. Neben der aus 1 bekannten Anordnung eines ersten Körperschallsensors 12a auf der Außenseite 28a des Einlassflanschs 28 ist ein erster Körperschallsensor 12a auf der Rückseite 28b des Einlassflansch 28 vorgesehen. Eine weitere Anordnung eines ersten Körperschallsensors 12a weist der Übergang vom Einlassflansch 28 zum Ventilgehäuse 22 auf.
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Zweite Körperschallsensoren 12b sind neben der aus 1 bekannten Anordnung auf der Rückseite 30b des Auslassflanschs 30 vorgesehen. Ein weiterer zweiter Körperschallsensor 12b ist auf der Unterseite 30c des Auslassflanschs 30 angeordnet. Eine weitere Positionierung eines zweiten Körperschallsensors 12b ist am Ventilgehäuse 22 im Bereich der Verbindungsschnittstelle 21 zum Rahmen 20 vorgesehen.
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Durch die Anordnung mehrere Körperschallsensoren 12a, 12b am Ventilgehäuse 22 des Stellventils 10 kann eine Leckage trotz Störgeräuschen einer Prozessanlage einfach und zuverlässig detektiert werden. Mit zunehmendem Leckagestrom nimmt auch die Differenz der beiden Körperschallsignale der Körperschallsensoren 12a, 12b zu, sodass auch die Höhe der Leckage daraus abgeleitet werden kann.
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Die in den 1 bis 4 gezeigten Stellventile 10 sind jeweils als Hubventil ausgebildet, wobei das Drosselelement 24a, 24b jeweils entlang einer Achse bewegbar ist. Es sind auch Ausgestaltungen eines Stellventils mit Sensoreinheit 12 am Ventilgehäuse 22 denkbar, wobei das Stellventil als ein Drehventil, beispielsweise als Kugelhahnventil oder als Klappenventil oder dergleichen, ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stellventil
- 11
- Leckageerkennungssystem
- 12
- Sensoreinheit
- 12a
- erster Körperschallsensor
- 12b
- zweiter Körperschallsensor
- 12c
- Anlegefläche des Körperschallsensors 12a, 12b
- 14
- Differenzspektrum
- 16
- Drosselstelle
- 17
- Auswerteeinheit
- 18
- Stellantrieb
- 19
- Ventilaufbau
- 20
- Rahmen
- 20a
- erste Rahmenstange des Rahmens 20
- 20b
- zweite Rahmenstange des Rahmens 20
- 20c
- Rahmenteller des Rahmens 20
- 21
- Verbindungsschnittstelle
- 22
- Ventilgehäuse
- 22a
- Eintrittsöffnung des Ventilgehäuses 22
- 22b
- Austrittsöffnung des Ventilgehäuses 22
- 24
- Stellglied
- 24a
- Drosselelement
- 24b
- Aussparung des Drosselelements 24a
- 26
- Ventilsitz
- 26a
- erstes Teilelement des Ventilsitzes 26
- 26b
- zweites Teilelement des Ventilsitzes 26
- 28
- Einlassflansch
- 28a
- Außenseite des Einlassflanschs 28
- 28b
- Rückseite des Einlassflanschs 28
- 28c
- Unterseite des Einlassflanschs 28
- 28d
- Anlagefläche des Einlassflanschs 28
- 30
- Auslassflansch
- 30a
- Außenseite des Auslassflanschs 30
- 30b
- Rückseite des Auslassflanschs 30
- 30c
- Unterseite des Auslassflanschs 30
- 30d
- Anlagefläche des Auslassflanschs 30
- 32
- Ventilachse
- 36
- Prozessrichtung
- 38
- Ventilanordnung
- 40
- Hahn
- 42
- Durchflusssensor
- 44a
- erster Drucksensor
- 44b
- zweiter Drucksensor
- 46
- Luftspeicher
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2867737 B1 [0005]
- US 5650943 A [0006]
