DE68911617T2 - Verfahren und vorrichtung zum messen und warnen über dynamische belastungen in stossinduzierenden systemen. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen von dynamischen Belastungen, und insbesonders auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum überwachen und Messen der variablen Stossbelastung, die von einem Ventiloperator auf eine Ventilspindel aufgebracht wird.
• In der Industrie finden sich viele Anwendungen, bei denen ein zur Durchführung von nützlicher Arbeit erzeugter Betriebsstoss innerhalb vorgeschriebener Grenzen sorgfältig überwacht und kontrolliert werden muss. Stosserzeugende Operatoren können pneumatisch, mechanisch, elektromechanisch oder hydraulisch sein.
• Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung findet besondere Anwendung bei der Überwachung, Messung und Analyse von dynamischem Ventilspindelstoss, der bei der Operation von motorbetriebenen Ventilen erzeugt wird. Aus der Entfernung betriebene Ventile sind in der Industrie wohlbekannt, und werden verbreitet benutzt, wenn entfernte Operation eines Ventils notwendig oder erwünscht ist, wie zum Bespiel wegen seiner kritischen Natur oder gefährlichen Anordnung. Die Krafterzeugungs-, Chemie- und Petrochemieindustrien benutzen verbreitet motorbetriebene Ventile und sehr häufig bei Systemen, in denen die richtige Operation des Ventils für Gesundheit und Sicherheit, als auch für ordnungsgemässen Betrieb des Systems entscheidend ist.
• Ein motorbetriebenes Ventil kann in den meisten Fällen unter tatsächlichen Betriebsbedingungen nicht eingebaut und eingestellt werden (oder nach anfänglichem Einbau inspiziert oder geprüft werden), wenn es eine Strömung in dem System gibt, in dem das Ventil eingebaut ist. Daher werden motorbetriebene Ventile typischerweise für ordnungsgemässen Betrieb eingestellt, entweder anfänglich, oder als Ergebnis periodischer Wartung unter statischen Bedingungen. Wie aber wohlbekannt ist, ändern sich viele der Kennzeichen des Ventilbetriebes oder variieren wesentlich unter dynamischen Operatorbedingungen. Solche Variationen können sofort offensichtlich sein, oder nach einiger Zeit erscheinen oder schlimmer werden, und hängen von Bedingungen wie dem tatsächlichen Flüssigkeitbetriebsdruck, dem Operatorrädergetriebe und dem Ventildichtungsverschleiss, Variation in der Spannung, die dem Operatormotor zugeführt wird, und von der Art der periodischen Wartung ab.
• Ein Ventiloperator, der typischerweise ein an der Ventilspindel angebrachtes motorbetriebenes Rädergetriebe umfasst, muss der Ventilspindel genug Stoss auferlegen, um den Ventilteller oder -kegel in eine Stellung zu bewegen, in der es die dynamische Strömung durch das Ventil anhalten wird, und fest genug aufzusitzen, um eine lecksichere Dichtung herzustellen. Ventilhersteller spezifizieren typischerweise die Minimalhöhe des Ventilspindelstosses, der der Spindel auferlegt werden muss, um den angebrachten Ventilteller oder -kegel richtig in den Ventilsitz zu setzen. Motoroperatoren, die mit diesen Ventilen benutzt werden, schliessen ihrerseits einen Drehmomentschalter ein, der den Stossbetrag, der von dem Operator auf die Ventilspindel angewandt wird, auf eine Höhe begrenzt, um die erwünschte lecksichere Dichtung herzustellen (im allgemeinen mit einem zusätzlichen Sicherheitsspielraum). Ein ungenau eingestellter Drehmomentschalter kann ein Versagen des Ventils, sich richtig aufzusetzen, und richtig zu dichten, wenn er zu niedrig eingestellt ist, Beschädigung des Betriebsmittels und/oder des Ventils, wenn er zu hoch eingestellt ist, zur Folge haben.
• Ein typischer Ventiloperator schliesst eine Antriebskraftquelle wie einen elektrischen Motor ein, der an die Ventilspindel mittels einer Kraftübertragungsanordnung angeschlossen ist. Im wesentlichen schliesst die Übertragungsanordnung eine Keilwelle (auch "Schneckenwelle" genannt) ein, die von dem Motor durch eine Untersetzungsanordnung angetrieben wird. Eine auf der Schneckenwelle angebrachte Schnecke treibt ein Schneckenrad an, das seinerseits eine Antriebshülse dreht, die eine Spindelmutter enthält, die eine gewundene Ventilspindel umgibt. Die Antriebshülse und die Spindelmutter sind zur Drehung um die Ventilspindel gelagert, aber in dem Operatorgehäuse gegen Axialbewegung befestigt, so dass Drehung der Antriebshülse und der Spindelmutter Axialbewegung der Ventilspindel zur Folge haben, sich um den Ventilteller oder -kegel, der an die Spindel zwischen den offenen und geschlossenen Stellungen befestigt ist, zu bewegen. Während der Ventilteller oder -kegel mit dem Ventilsitz (oder hinteren Sitz) in Berührung kommt, während das Ventil geschlossen (oder geöffnet) wird, wird der Ventilspindel eine sich steigernde Stossbelastung auferlegt, die durch die Übertragungsanordnung zur Schnecke übertragen wird, und die eine Axialkraft ergibt, die dazu neigt, die Schnecke entlang der Schneckenwelle zu bewegen. Die mechanischen Kennzeichen einer Schnecke/Schneckenradgetriebes sind derart, dass das von dem Schneckenrad auferlegte Drehmoment direkt auf die Axialkraft auf der Schnecke bezogen ist. Die Schnecke wird an dem Operatorgehäuse durch eine Federsäule befestigt, die einen Satz von Tellerdichtungsscheiben umfasst. Während sich der Axialspindelstoss erhöht, erhöht sich die Axialkraft auf die Schnecke proportional. Die Tellerdichtungsscheibenfedersäule wird schliesslich durch die Axialkraft zusammengepresst, und die Schnecke wird sich axial entlang der Schneckenwelle bewegen.
• Die Operatoranordnung schliesst auch einen Drehmomentschalter ein, der an dem Operatorgehäuse angebracht ist, und der Schalter schliesst einen Arm ein, der in die Schnecke eingreift. Axialbewegung der Schnecke gegen die Neigung der Federsäule wird den Drehmomentschalterarm bewegen, und, wenn der Arm sich einen Abstand bewegt hat, der von dem einstellbaren Drehmomentwert festgesetzt ist, öffnen sich die Drehmomentschalterkontakte, und halten den Motor an. Die Tellerdichtungsscheibenfedersäule ist derart an der Schnecke befestigt, um die Bewegung der Schnecke in jede Axialrichtung zu neigen, je nachdem, ob sich der Spindelstoss, der zur Schnecke zurück übertragen wird, von der Ventilschliessung oder -öffnung ergibt. Der Drehmomentschalter schliesst Schaltarme und Kontakte ein, die unabhängig eingestellt werden können, um die Schneckenbewegung und den Kontrollmotorbetrieb in jede Richtung zu überwachen. Einstellungen werden üblicherweise "geschlossene Drehmomentschaltereinstellung" und "offene Drehmomentschaltereinstellung" genannt. Der zur Operation des Ventils verfügbare Spindelstoss hängt direkt von den Drehmomentschaltereinstellungen ab.
• Motoroperatoren schliessen auch typischerweise Grenzschalteranordnungen ein, die in Verbindung mit oder statt der Drehmomentschalter benutzt werden können. Die Grenzschalter arbeiten unabhängig voneinander, und werden typischerweise von der Schneckenwelle durch eine Zahnradanordnung betrieben, um den Ventilhub nach einer bestimmten Entfernung anzuhalten. Einige der spezifischen Funktionen der Grenzschalter sind, den Ventilhub in die offene Richtung anzuhalten, bevor sich das Ventil nach hinten setzt, den offenen Drehmomentschalter zu umgehen, während das Ventil nicht aufsitzt, entfernte Lichtanzeige der Ventilstellung zu liefern, und Sperrungen mit zugeordneter Ausrüstung zu betätigen.
• Die Drehmoment- und Grenzschaltereinstellungen der derzeit verfügbaren Motoroperatoren sind ziemlich grob und ungenau. Besonders ist die Konstruktion eines typischen Drehmomentschalters so, dass geringe Änderungen der Schaltereinstellung grosse Änderungen des Spindelstosses ergeben können. Selbstverständlich ist richtige Einstellung von Drehmoment- und Grenzschaltern entscheidend, und es erforderte erfahrenes Personal und zeitverschwendende Einstell-und- Versuchs-Verfahren. Man hat aber nun erkannt, dass das wichtigste Grundproblem bei der Benutzung von auf Federsäulenverschiebung begründeten Drehmomenteinstellungen ist, dass eine solche Verschiebung nur eine indirekte Anzeige des tatsächlichen Stosses auf die Ventilspindel ist. Variationen finden durch die Übertragungsanordnung und das Ventil statt, die sich auf das theoretische direkte Verhältnis zwischen der Federsäulenverschiebung und dem Spindelstoss auswirken. Diese schliessen die Vorbelastung ein, die der Federsäule auferlegt wird, wenn die Federsäule zusammengebaut wird, Ventildichtungsreibungskräfte, und das Eigengewicht der Ventilspindel und -kegel oder -teller. Nachdem ein motorbetriebenes Ventil eingebaut und eingestellt worden ist, ergeben sich zusätzlich Variationen, die über eine bestimmte Zeit stattfinden, wegen Verschleiss, Wartungsverfahren, Variationen in der Betriebsspannung, und dergleichen können schliesslich tatsächliche Spindelstösse ergeben, die unter dem Minimum liegen, das benötigt wird, um den Kegel aufzusetzen, und das Ventil abzudichten, oder über dem Maximum liegen, das das Ventil und das Betriebsmittel ohne Schaden überstehen können.
• Daher hat man schon lange ein System benötigt, das die Genauigkeit von anfänglichen motorbetriebenen Ventilaufbauten verbessern kann, das gestattet, dass die tatsächlichen Spindelstösse während des Betriebs überwacht und gemessen werden können, und das die direkte Analyse der Funktion von verschiedenen Ventil- und Operatorkomponenten zur genauen Fehlersuche gestattet.
• WO-A-87/07950, das die Merkmale zeigt, die im ersten Teil des unabhängigen Patentanspruches 1 definiert sind, beschreibt ein System, das den Ventilspindelstoss direkt messen soll, und eine dynamische Kurve der tatsächlichen Spindelbelastung während des ganzen Ventilbetriebskreislaufs liefern soll. Das System und verwandte Verfahren überwachen auch Motorstrom und Drehmoment- und Grenzschalterbetätigung über dem Betriebskreislauf, und korrelieren diese Parameter mit dem überwachten Stoss. Ausgabekurven der drei Parameter sollen benutzt werden, um die Operatoranordnung für den anfänglichen Betrieb zu eichen, und um die Leistung des motorbetriebenen Ventils über die Zeit zu überwachen, indem nachfolgende Kurven der drei Parameter erzeugt werden, und diese mit denen, die anfänglich erzeugt wurden, verglichen werden.
• Um eine Anzeige des tatsächlichen Ventilspindelstosses zu liefern, zeigt WO-A-97/07950 eine Vorrichtung, die eine Kompressionsbelastungszelle einschliesst, die betrieblich an dem freien Ende der Ventilspindel (gegenüber des Kegels) befestigt ist, die eine direkte Messung der Spindelstossbelastung an dem Ende des Ventilöffnungshubs, z.B. an der oberen Grenze des Spindelhubs liefert. In anderen Worten, die Vorrichtung von WO-A-87/07950 kann nur den tatsächlichen Spindelstoss, bei dem der offene Drehmomentschalter ausgelöst wird, messen. Diese einzige Messung des Spindelstosses wird dann benutzt, um sowohl die offenen als auch die geschlossenen Drehmomentschalterstellungen festzusetzen. Die Stossmessung wird auch benutzt, um die Linearverschiebung der Federsäule zu eichen, die direkt gemessen wird, um eine Stosskurve über Ventilablaufzeit zu erzeugen, was dazu gedacht ist, um den tatsächlichen Spindelstoss darzustellen. Daher ist die Vorrichtung von WO-A- 87/07950 unfähig, den tatsächlichen Spindelstoss direkt über dem ganzen Ventiloperationskreislauf zu überwachen und zu messen, und, wie schon erwähnt, ruft Verlässlichkeit auf Federsäulenverschiebung als Anzeige des tatsächlichen Spindelstosses eine Reihe von Ungenauigkeiten hervor. Da diese Vorrichtung unfähig ist, den tatsächlichen Spindelstoss bei der Ventilschliessung zu messen, müssen zusätzlich bestimmte Annahmen gemacht werden, um den gemessenen Ventilöffnungsspindelstoss zu benutzen, um die geschlossene Drehmomentschaltereinstellung festzusetzen. Die wichtigste Annahme ist, dass das Drehmoment (und der Spindelstoss) zur Öffnung des Ventils gleich dem Drehmoment ist, das benötigt wird, um das Ventil zu schliessen, d.h., es wird angenommen, das die Federsäulenverschiebung für einen gegebenen Öffnungsstoss genau dieselbe ist wie die Federsäulenverschiebung für einen gleichen Schliessungsstoss. Diese Annahme ignoriert deutlich Unterschiede, die dem Gewicht des Ventilkegels und der Spindel zugesprochen werden, Variationen in der Ventildichtungsreibung mit Richtung, und Variationen in der Übertragungsanordnungsfähigkeit, da die Ventilöffnung und -schliessung zwei verschiedene Flächen der Getriebezähne benutzt.
• Das System von WO-A-87/07950 benutzt ausserdem eine Strommessung zur Drehmomentanzeige und Grenzschalterbetätigung und daher zur Ventilstellung. Dieses benötigt eine Reihenverbindung zu den Drehmoment- und Grenzschaltern, und daher eine Unterbrechung in den Schalterverbindungen. In der Kernkraftindustrie, wo grosse Anzahlen von motorbetriebenen Ventilen benutzt werden, braucht eine Reihenverbindung, die eine Unterbrechung in der Leitung benötigt, doppelte Verifizierung, um zu Arbeit zurückzukehren, was teuer und zeitraubend ist.
• Das U.S. Patent 4 570 903 (Crass) spricht auch das Problem der direkten Messung von Ventilspindelstoss an, um genaue Einstellung des geschlossenen Drehmomentschalters zu gestatten, sowohl anfänglich, und auch als Ergebnis von Stossänderungen, die sich auf Systemoperationsänderungen beziehen. Die Vorrichtung von Crass gestattet die direkte Messung des Ventilspindelstosses, änlich wie WO-A-87/07950. Während des Ventiloperationskreislaufs kann aber, wie in WO-A-87/07950, nur eine einzige direkte Messung des Spindelstosses durchgeführt werden. Eine Belastungszelle ist betrieblich an dem freien oberen Ende der Ventilspindel befestigt, und ist angeordnet, um den tatsächlichen Spindelstoss nur an dem Ende des Ventilschliessungshubes zu messen. Die Vorrichtung misst den Stoss, der notwendig ist, um den geschlossenen Drehmomentschalter auszulösen und um ihn zu entaktivieren. Die Vorrichtung kann aber nicht den tatsächlichen Ventilsitzstoss überwachen und messen, der wesentlich grösser sein kann als der Stoss, der notwendig ist, um den Drehmomentschalter zu schalten, wegen Rädergetriebeträgheit, Verzögerungen des Motorkontaktgeberausfalls, usw..
• Daher gibt es derzeitig keine Vorrichtung oder Verfahren, die den tatsächlichen Ventilspindelstoss kontinuierlich und dynamisch während des ganzen Betriebskreislaufs des Ventils von der völlig offenen zu der völlig geschlossenen Stellung in beide Richtungen überwachen kann. Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik, die die Fähigkeit liefern, die tatsächliche Ventilspindelbelastung zu messen, sind in ihrer Fähigkeit, nur eine einzige solche Belastung in dem Ventiloperationskreislauf zu messen, begrenzt. Weiterhin kann es sein, dass eine einzige solche Stossbelastungsmessung, die an dem Punkt in dem Ventilkreislauf stattfindet, nicht der tatsächliche maximale Stoss ist. Wo der Stand der Technik die Messung einer Anzeige der Ventilspindelbelastung über dem ganzen Operationskreislauf zeigt, ist eine solche Messung in der Tat nur indirekt, und, als Ergebnis, nicht eine genaue Anzeige der tatsächlichen Ventilspindelstösse.
Zusammenfassung der Erfindung
• Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, in seiner bevorzugten Form, liefern ein System zum überwachen und Messen der tatsächlichen Ventilspindelbetriebsbelastung in einem motorbetriebenen Ventil. Belastungsabtastungsmittel, wie Belastungszellen, werden direkt zwischen dem Ventilkörper und dem Operatorgehäuse eingeschoben, wo sie ein direkt proportionales Teil der tatsächlichen dynamischen Ventilstossbetriebsbelastung bei jeder Stellung der Ventilspindel und des Ventilkegels während des ganzen Operationskreislaufs des Ventils abtasten können. Signale, die die abgetasteten Belastungen darstellen, werden in die tatsächlichen Ventilspindelbetriebsbelastungen umgewandelt, und eine Ausgabe dieser Belastungen wird erzeugt.
• Die Belastungszellen werden am günstigsten zwischen den gegenüberliegenden Anbringungsoberflächen auf dem Ventilkörper und dem Operatorgehäuse eingeschoben, und von den Anbringungsschrauben am richtigen Platz befestigt. Auf diese Weise sind die von den Belastungszellen abgetasteten Belastungen die Reaktionskräfte zwischen dem Ventilkörper und dem Operatorgehäuse, welche sich von der Belastung ergeben, die von dem Operator zu der Ventilspindel übertragen wird. Die Belastungszellen werden in Kompression von der Kraft der Anbringungsschrauben auf eine Höhe vorbelastet, die grösser als die maximale Ventilspindeloperationsbelastung ist, die sich von der Ventilschliessung ergibt.
• Der Betrieb der Drehmoment- und Grenzschalter wird gleichzeitig mit der Überwachung und Messung der Ventilspindeloperationsbelastungen als eine Funktion der Ventilkegelstellung überwacht und mit den Ventilspindeloperationsbelastungen korreliert. Eine Messung des Operatormotorstroms als Funktion der Ventilkegelstellung kann auch gleichzeitig mit den Schalterbetriebs- und Spindelbelastungsausgaben korreliert werden, um die Analyse des ordnungsgemässen Betriebs des Ventils und der Ventiloperatoranordnung zu verstärken.
• Die vorliegende Erfindung liefert im weitesten Sinne die Fähigkeit, eine variable dynamische Axialbelastung, die in einer Operatoranordnung induziert wird, in der gegenüberliegende verschraubte Oberflächen sich ändernden Zug- und Druckkräften ausgesetzt werden, zu überwachen und zu messen. Wie mit der bevorzugten Ausführung, werden Belastungsabtastungsmittel zwischen den gegenüberliegenden verschraubten Oberflächen angeordnet und dazwischen durch eine kompressive Vorbelastung befestigt, so dass die Reaktionskräfte auf Axialbelastungen bei entweder Zug oder Druck über dem ganzen interessierenden Bereich abgetastet und gemessen werden.
• Nach der vorliegenden Erfindung schliesst das Ventil in einem Ventil und einer Ventiloperatoranordnung einen Ventilkörper ein, einen Ventilkegel in dem Ventilkörper, wobei der Ventilkegel zwischen einer offenen Ventilstellung und einer geschlossenen Ventilstellung bewegbar ist, eine Ventilspindel, die an dem Ventilkegel befestigt ist, wobei der Ventiloperator eine Antriebskraftquelle einschliesst, ein Operatorgehäuse, das an dem Ventilkörper befestigt ist, um eine Befestigungszwischenfläche dazwischen zu liefern, und ein Kraftübertragungsmittel, das die Kraftquelle und die Ventilspindel betrieblich verbindet, und angeordnet ist, um eine Operationsbelastung von der Kraftquelle zur Spindel zu übertragen, um Bewegung des Ventilkegels zu bewirken; es ist eine Vorrichtung vorgesehen, um die tatsächliche Ventilspindeloperationsbelastung zu überwachen und zu messen, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: (a) ein Belastungsabtastungsmittel, das eine Kraft abtastet, die der tatsächlichen dynamischen Ventilspindeloperationsbelastung des Ventilkegels direkt proportional ist, und ein Signal erzeugt, das die abgetastete Belastung darstellt; und (b) ein Mittel, das das Belastungssignal in ein tatsächliches dynamisches Ventilspindelbetriebsbelastungssignal umwandelt und eine Ausgabeanzeige der Ventilspindeloperationsbelastung erzeugt, dadurch gekenzeichnet, dass das Belastungsabtastungsmittel betrieblich an die Befestigungszwischenfläche zwischen dem Ventilkörper und dem Operatorgehäuse angeschlossen ist, so dass die abgetastete Kraft der tatsächlichen dynamischen Ventilspindeloperationsbelastung in irgendeiner Stellung des Ventilkegels direkt proportional ist.
• Fig. 1 ist eine Perspektivsicht einer typischen Ventil- und motorbetriebenen Operatoranordnung, mit abgebrochemen Teilen, um Einzelheiten der inneren Konstruktion und Betriebes zu zeigen.
• Fig. 2 ist eine Ansicht eines Teils des Ventils und des motorbetriebenen Operators, das die Ventilspindelbelastungsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung daran befestigt hat, und zeigt im allgemeinen die anderen Kontrolleinrichtungen, die zur Überwachung der Operator- und Ventilleistung benutzt werden.
• Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Drehmoment- und Grenzschalterspannungsüberwachungskreislaufs, der benutzt wird, um eine Ausgabe der Schalteraktivierungsfolge über dem Ventiloperationskreislauf zu erzeugen.
• Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines üblichen motorbetriebenen Operatorkontrollkreislaufs, an den der Überwachungskreislauf von Fig. 3 angeschlossen ist.
• Fig. 5 ist ein Graph oder eine Kurve der verschiedenen gemessenen Parameter, aufgetragen als Funktion der Ventilstellung über ihrem Operationskreislauf.
• Fig. 6 ist eine Kurve, ähnlich wie Fig. 5, des Spindelstosses, des Motorstromes, und der Schalterbetätigung eines motorbetriebenen Ventils über dem schliessenden Teil des Ventilkreislaufs.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführung
• Fig. 1 zeigt einen konventionellen motorbetriebenen Ventiloperator 10, der betrieblich an einem Ventilkörper 11 befestigt ist. Der Operator 10 schliesst einen elektrischen Motor 12 ein, um die Kraft zu liefern, um das Ventil zu betreiben, und eine Kraftübertragungsanordnung 13, um die Operationsbelastung von dem Motor zu dem Ventil zu übertragen. Die Kraftübertragungsanordnung ist in einem Operatorgehäuse enthalten, das über dem Ventilkörper 11 liegt und daran befestigt ist, wie im weiteren genauer beschrieben wird.
• Der Motor 12 treibt eine genutete Schneckenwelle 15 mittels eines Reduktionsgetriebesatzes 16 an. Die Schneckenwelle 15 treibt eine Schnecke 17 an, die axial darauf angebracht ist, und die Schnecke treibt ihrerseits ein Schneckengetriebe 18 an. Das Schneckengetriebe treibt eine integral befestigte Antriebshülse 20 an, die eine Spindelmutter 21 enthält, die das Aussengewinde der Ventilspindel 22 empfängt, und mit ihr in Eingriff steht. Die Antriebshülse 20 und die Spindelmutter 21 sind zur Drehung um die Ventilspindel gelagert, sie werden aber von Axialbewegung abgehalten. Daher wird Drehung der Spindelmutter ergeben, dass eine Antriebskraft auf die gewundene Ventilspindel und ihrer senkrechten Axialbewegung in beide Richtungen aufgebracht wird, je nach Drehrichtung der Spindelmutter.
• Die Ventilspindel 22 erstreckt sich von dem Operatorgehäuse 14 nach unten in den Ventilkörper 11 zu einer gelagerten Verbindung 23 mit dem Ventilteller oder -kegel 24. Axialbewegung der Ventilspindel 22 wird senkrechte Bewegung des befestigten Kegels 24 von der geschlossenen Ventilstellung ergeben, in der Kegel wie gezeigt in dem Ventilsitz 25 liegt, zu einer offenen Stellung, wobei der Kegel senkrecht nach oben um eine bestimmte Entfernung von dem hinteren Sitz angeordnet ist. Es ist im allgemeinen unerwünscht, das Ventil nach hinten zu setzen. Ein Teil der Ventilspindel/Ventilkegelverbindung 23 schliesst aber eine ringförmige Schulter 29 ein, die in der Nähe des unteren Endes der Spindel 22 liegt, die in den hinteren Sitz eingreifen wird, wenn Aufwärtsbewegung des Kegels 24 auf dem Öffnungshub vorbestimmte Grenzen überschreitet, wie später noch diskutiert wird.
• Ein typischer Ventiloperator 10 wird von Drehmoment- oder Stellungsbegrenzungsschaltern kontrolliert, um den Motor 12 automatisch auszuschalten, wenn der Ventilkegel 24 eine vorbestimmte Stellung seines Hubes erreicht hat, oder an dem Ende seines Hubes in jede Richtung eine im wesentlichen grössere Höhe des Stosses verursacht hat, der von dem Motor auf die Spindel 22 aufgebracht werden soll, wobei der Stoss zurück durch die Übertragungsanordnung 13 in dem Operator auf ein Drehmoment übersetzt wird, das von dem Schneckengetriebe 18/der Schneckenanordnung 17 aufgebracht wird. Die Schnecke 17 wird an dem Operatorgehäuse 14 mittels einer Federsäule 27 befestigt, die eine Reihe von Tellerdichtungsscheiben 28 umfasst. Das von dem Schneckengetriebe 18 auf die Schnecke 17 aufgebrachte Drehmoment wird direkt in eine Axialkraft auf die Schnecke übersetzt. Wenn sich die Axialkraft auf die Schnecke erhöht, zum Beispiel als Ergebnis, dass der Ventilkegel 24 in den Sitz 25 am Ende des Ventilschliessbewegung eingreift, wird sich die Schnecke axial gegen die Neigung der Federsäule 27 bewegen. Um den Motor auszuschalten, wenn das Drehmoment eine erwünschte Höhe erreicht hat, wie diejenige, die nötig ist, um den Ventilkegel 24 aufzusetzen, und eine lecksichere Dichtung zu liefern, dreht Axialbewegung der Schnecke einen Drehmomentschalterarm, der seinerseits einen Satz von Kontakten öffnet, um den Motor anzuhalten. Der Betrag der Drehmomentschalterarmbewegung, die benötigt wird, um die Drehmomentschalterkontakte zu öffnen, kann durch einstellbare Drehmomentschaltereinstellungen vorher eingestellt werden. Ein Drehmoment, das ausreicht, Axialbewegung der Schnecke 17 in die gegenüberliegende Richtung zu verursachen, wie beim Ende des Ventilöffnungshubes, wird von einem anderen Satz von einstellbaren Drehmomentschalterkontakten kontrolliert, die sich als Ergebnis der entgegengesetzten Drehung des Drehmomentschalterarms öffnen.
• Der typische Ventiloperator schliesst in Verbindung mit den Drehmomentschaltern auch entsprechende offene und geschlossene Begrenzungsschalter ein. Die Begrenzugsschalter werden von der Schneckenwelle 15 oder der Antriebshülse 20 drehbar betrieben, und ihre Bewegung ist geeicht, um in Gleichklang mit der Axialbewegung der Spindel 22 zu sein, und der Entfernung, die von dem befestigten Ventilkegel 24 bewegt wird. Der Begrenzungsschalter kann als Hauptkontrolle für den Operationsmotor dienen, oder als Unterstützung für einen Drehmomentschalter. Zusätzlich zur Kontrolle der Grenzen der Bewegung des Ventilkegels besteht eine andere wichtige Begrenzungsschalterfunktion darin, den offenen Drehmomentschalter zu überbrücken, während der Ventilkegel aus dem Sitz genommen wird, um eine nicht bestimmte Unterbrechung des Ventilöffnungshubes zu vermeiden. Daher ist ordnungsgemässe Einstellung und Operation der Grenzschalter auch für die ordnungsgemässe Ventiloperation entscheidend.
• Wie schon erwähnt, sind eine Anzahl von Faktoren, die der Gestaltung und Operation eines motorbetriebenen Ventils zugehörig sind, die eine Federsäulenverschiebung als direkte Anzeige der Ventilspindelbelastung oder -stosses benutzen, sehr spekulativ, und haben manchmal hohe Ungenauigkeiten. Es ist bekannt, dass eine Tellerdichtungsscheibenfedersäule 27 nicht linear ist, anbetracht der Axialverschiebung gegen die aufgebrachte Druckkraft in sowohl ihrem freien, nicht zusammengedrückten Zustand und an der gegenüberliegenden Seite, wenn sie fast ganz zusammengedrückt ist. Ein Versuch, Federsäulenneigung mit Stoss oder Spindelbelastung in diesen Gebieten zu korrelieren, wird Fehler ergeben. Daher ist die Federsäule 27 normalerweise mit einer axialen Vorbelastung angebracht, um zu gestatten, das sie innerhalb ihres Linearbandes arbeitet. Unter den dynamischen Bedingungen der Ventiloperation wird die Federsäulenvorbelastung direkt zur Ventilspindel 22 zurückübersetzt, und erscheint als Stossbelastung auf der Ventilspindel 22. Die Vorbelastung kann wesentlich variieren, kann nicht leicht gemessen oder kompensiert werden. Das Gewicht des Ventilkegels 24 und der Spindel 22 haben zusätzlich eine direkte Wirkung auf die Spindelbelastung. Die Wirkung ist in Schliessungs- und Öffnungsrichtungen selbstverständlich direkt entgegengesetzt, und kann bei grossen Ventilen besonders wichtig sein. Reibungskräfte der Ventildichtungen müssen ähnlich überwunden werden. Diese Kräfte ändern sich im allgemeinen in den offenen und geschlossenen Richtungen und tragen in jedem Fall zu dem ganzen Spindelstoss bei, der zum ordnungsgemässen Ventilbetrieb benötigt wird. Schliesslich, wie man von der Konstruktion eines typischen Ventiloperators sehen kann, arbeitet ein Schnecken/Schneckenzahnradgetriebe mit zwei verschiedenen Sätzen von Zahnradzahnflächen in die entgegengesetzten offenen und geschlossenen Richtungen. Variationen des Verschleisses werden Variationen der Reibungskräfte ergeben, und daher des Stosses, der auf die Spindel von einer Richtung zur anderen aufgebracht wird.
• Die Verwendung der Neigung der Federsäule 27 zur Messung des Spindelstosses erfordert, dass die Federsäulenvorbelastung, wie zur Spindel übertragen, gleich oder höher als die Summe der Reibungskräfte plus des Gewichtes der Spindel und des Kegels ist. Das liegt daran, dass kein auf die Spindel aufgebrachter Nettooperatorstoss vorhanden sein kann, um Bewegung zu bewirken, bis die kombinierten Gewichte der Spindel und des Kegels und der Dichtung und anderer Reibungskräfte überwunden sind. Wenn die Federsäulenvorbelastung aber kleiner als die Summe des Gewichtes und der Reibungskräfte ist, findet Federsäulenverschiebung statt (und eine angezeigte Spindelstossbelastung), bevor es eine tatsächliche Belastung auf der Spindel gibt. Daher können die Auswirkungen der Dichtungsreibung und Komponentengewichte per Definition nicht durch Messung von Federsäulenneigung überwacht oder gemessen werden.
• Wenn Federsäulenverschiebung überwacht und gemessen wird, kann man nicht bestimmen, welche, falls überhaupt, der vorhergehenden Variationen sich auf den Spindelstoss auswirkt, und daher das verfügbare Drehmoment, um das Ventil oder die Grosse solcher Variationen zu betreiben. Zusätzlich liefert Überwachung und Messung der Federsäulenverschiebung nicht die Fähigkeit, zwischen Stössen zu unterscheiden, die dem Gewicht, Änderungen der Dichtungsreibung, Vorbelastungsvariationen, oder anderen typischen laufenden Stössen, die der Ventilöffnung oder -schliessung zugeordnet sind.
• Mit Bezug auf Fig. 2, um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten Messung der dynamischen Ventilspindelbelastung zu liefern, wird ein Belastungsabtastungsmittel in Gestalt eines Satzes von Belastungszellen 30 direkt zwischen dem Ventilkörper 11 und dem Operatorgehäuse 14 eingeschoben. Der Ventilkörper 11 schliesst einen oberen Anbringungsflansch 31 ein, der eine flache Anbringungsoberfläche 32 einschliesst. Das Ventiloperatorgehäuse 14 schliesst eine gegenüberliegend angeordnetes Anbringungsoberfläche 33 ein. Eine Reihe von Anbringungsschrauben 34 erstrecken sich nach oben durch Löcher in dem Anbringungsflansch 31, und werden in mit Gewinde versehene Löcher in der Anbringungsoberfläche 33 des Operatorgehäuses 14 eingeschraubt. Die Belastungszellen werden zwischen den Anbringungsoberflächen 32 und 33 befestigt, wenn die Anbringungsschrauben 34 angespannt werden. Vorzugsweise wird eine Belastungszelle 30 für jede Anbringungsschraube 34 benutzt.
• Die auf die Ventilspindel 22 von dem Operator 10 aufgebrachte Belastung ergibt eine gleiche und entgegengesetzte Reaktionskraft auf den Anbringungsschrauben 34. Daher wird eine Axialkompressionsbelastung auf der Spindel, während der Ventilkegel 24 in den Sitz 25 eingreift, während sich das Ventil schliesst, eine entgegengesetzte Zugbelastung in den Schrauben zur Folge haben, die gleichmässig unter ihnen veteilt ist. Umgekehrt wird eine Zugbelastung auf der Ventilspindel, wenn der Kegel in Kontakt mit dem hinteren Sitz am Ende des Ventilhubes kommt, verteilte Druckkraft in den Anbringungsschrauben zur Folge haben. Die eingebauten Belastungszellen 30 können einen direkt proportionalen Teil der tatsächlichen Belastung auf den Anbringungsschrauben abtasten, und daher die tatsächliche Betriebsbelastung auf die Ventilspindel 22 in irgendeiner Stellung des Ventilkegels bei oder zwischen seinen völlig offenen oder völlig geschlossenen Stellungen.
• Es ist bei der bestimmten gezeigten Ausführung wichtig, dass die Belastungszellen 30 zwischen dem Ventil und dem Ventiloperator mit einer Vorbelastung angebracht werden. Die Vorbelastung sollte ausreichen, eine Druckbelastung auf den Belastungszellen aufzubringen, die höher als die erwartete maximale Ventilspindeloperationsbelastung ist, die sich von der Ventilschliessung ergibt. Da die maximale Druckbelastung auf der Ventilspindel während Schliessung, wie oben erwähnt, eine Zugkraft auf den Anbringungsschrauben 34 zur Folge hat, ist die Vorbelastung notwendig, um die Belastungszellen daran zu hindern, sich in diesen Fall vollständig "zu entladen". Die Vorbelastung auf den Belastungszellen hat aber auch zusätzlich eine Zugvorbelastung in den Anbringungsschrauben zur Folge, die den Betrieb auf dem Linearteil der Spannungs-Dehnungs-Kurve für die Schrauben sichert. Dieses sichert seinerseits die Erhaltung eines direkten linearen Verhältnisses zwischen der abgetateten Belastung und der tatsächlichen Ventilspindeloperationsbelastung.
• Die von den Belastungszellen abgetastete Belastung is selbstverständlich wegen der Proportion der ganzen Belastung, die von den Anbringungsschrauben aufgenommen, wird geringer als der tatsächliche Spindelstoss. Daher wird die von den Belastungszellen abgetastete Belastung in die tatsächliche Ventilspindelbetriebsbelastung umgewandelt, durch Anwendung eines passenden Berichtigungsfaktors. Der Berichtigungsfaktor hängt von den physikalischen Eigenschaften des benutzten Schraubenmaterials, und der freien Länge der verschraubten Verbindung ab, und kann für eine bestimmte Ventil/Operatoranordnung empirisch bestimmt werden. Der Berichtigungsfaktor ist für eine bestimmte Anordnung eine Konstante, mit der die von den Belastungszellen abgetastete Belastung multipliziert wird, um die tatsächliche Ventilspindelbelastung zu erhalten.
• Die Belastungszellensignale, die einen direkt proportionalen Teil der tatsächlichen Ventilspindelstossbelastung darstellen, werden einer Belastungszellenwandler/anzeigevorrichtung 35 zugegeben, wo sie in eine analoge Ausgabe umgewandelt werden, die der Summe der Belastungszellenausgaben proportional ist. Die analoge Ausgabe von dem Belastungszellenwandler wird zu einem Aufnahmeanalysator 36 (wie ein Yokogawamodell Nr. 3655E) gegeben, das die Ausgabe mit der Berichtigungsfaktorkonstante multipliziert, und den sich ergebenden Spindelstoss anzeigt. Der Aufnahmeanalysator kann auch eine Kurve oder eine Kurve des tatsächlichen dynamischen Ventilspindelstosses über dem ganzen Ventiloperationskreislauf vorsehen. Der Aufnahmeanalysator wird auch benutzt, um eine Ausgabeanzeige, einschliesslich Kurven der anderen gemessenen Parameter vorzusehen, wie genauer im folgenden beschrieben wird.
• Um eine Anzeige des Drehmoment- und Grenzschalterbetriebs über dem Ventilkreislauf gleichzeitig mit der Spindelbelastungsmessung und -anzeige vorzusehen, wird ein Schalteranzeigekreislauf 37 (Fig. 3) an den passenden Kontakten in dem Operatordrehmoment- und Grenzschalterkreislauf 38 (Fig. 4) befestigt, um eine Ausgabespannung vorzusehen, die die Schalterbetätigung zu dem Aufnahmeanalysator 36 darstellt. Schalteroperationsspannungssignale, die während des Ventiloperationskreislaufs erzeugt und aufgenommen sind, gestatten genaue Zeitsetzung, sowohl der Drehmoment- als auch der Grenzschalteroperation zur genauen Einstellung. Korrelation von Schalterzeitsetzung und Ventilspindelstosskurven ermöglichen genaue Analyse von Ventiloperation und die Diagnose von Betriebsproblemen, wie unten diskutiert werden wird.
• Das Netz von Widerständen 39, das in dem Schalteranzeigekreislauf 37 benutzt wird, setzt dem Operatorkontrollkreislauf keine bedeutende Belastung zu. Die Dioden 46 wandeln die Wechselstromschalterspannung in ein Gleichstromausgabesignal für das Aufnahmegerät 36 um. Die Kondensatoren 47 helfen, Wechselstromwelleneffekte zu entfernen, um glattere Kurven zu liefern. Der Schalteranzeigekreislauf 37 benötigt keine zusätzlichen Kontakte, und, was am wichtigstens ist, er kann eingebaut werden, ohne das irgendwelche Leitungen oder Kontakte in dem Operatorschalterkreislauf 38 gebrochen werden.
• Der zuletzt gemessene Parameter ist der Strom zum Operatormotor 12. Ein Stromanzeiger 40, der einen gewöhnlichen induktiven Strommesser umfassen kann, liefert Stromsignale an den Aufnahmeanalysator 36 gleichzeitig mit der Stossbelastung und den Schalterbetätigungssignalen, so dass eine Ausgabekurve des Motorstromes über dem Ventiloperationskreislauf auch erhalten werden kann. Operatormotorstromkurven sind bei dem Stand der Technik bekannt, sind aber trotzdem hilfreich, um die vorher beschriebenen Spindelstoss- und Schalterbetätigungskurven zu ergänzen.
• Wir glauben, dass einige genauere Kommentare über den Betrieb eines typischen Ventils und Ventiloperators hilfreich sind, bevor der Einbau der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, und das Verfahren ihrer Operation genauer beschrieben wird. Wenn man nun auf Fig. 1 und 4 Bezug nimmt, wobei das Ventil in seiner völlig offenen Stellung ist, und der Kegel 24 einen vorbestimmten Abschnitt von dem hinteren Sitz hat, ist der Umgehungsgrenzschalter 41 um den geschlossenen Drehmomentschalter geschlossen. Diese Umgehungsgrenze 41 muss geschlossen sein, wenn die Ventilschliessung eingeleitet wird, so dass der "Schlag" in dem Operator, der sich in Flattern oder Öffnung des geschlossenen Drehmomentschalters ergibt, nicht verursachen wird, dass der Operatormotor 12 anhält. Die meisten Operatoren haben einen in dem Schneckenrad 18 eingebauten Schlag, um die Hülsenverbindung 20 in der Gestalt eines schlaffen Gebietes zwischen ihren eingreifenden Oberflächen anzutreiben, die, wenn der Motor umgekehrt wird, gestattet, dass der Motor und das Getriebe ihre Geschwindigkeit kommen. Der Umgehungsgrenzschalter 41 ist nur während eines geringen Teils des schliessenden Hubes geschlossen (und der geschlossene Drehmomentschalter 42 wird umgangen), während sich der Kegel 24 von dem hinteren Sitz fort bewegt (in dem im allgemeinen unerwünschten Fall, dass sich das Ventil nach hinten setzte, wenn es offen war).
• Wenn der Ventilkegel den Hauptsitz 25 erreicht, und beginnt, in ihn einzugreifen, findet ein schneller Aufbau des Spindelstosses statt, bis auf eine Höhe, auf der der geschlossene Drehmomentschalter 42 (der nicht mehr umgangen wird) ausgelöst wird, um den Motor anzuhalten. Normalerweise wird aber Trägheit in dem System ergeben, dass zützlicher Stoss auf die Spindel gebracht wird, der, wenn der Drehmomentschalter so eingestellt worden ist, dass er bei dem empfohlenen Drehmoment ausgelöst wird, das nötig ist, das Ventil ordnungsgemäss aufzusetzen und abzudichten, sich in einem wesentlichen Stossüberschuss ergeben kann.
• Die Einleitung der Ventilöffnung arbeitet ähnlich. Der offene Drehmomentschalter 43 muss während der Abhebung des Ventils umgangen werden, so dass die Abhebungsschläge, die in den Operator und in das Ventil eingebaut sind, sich nicht in vorzeitigem oder plötzlichem Auslösen des offenen Drehmomentschalters und Unterbrechung des Ventilöffnungshubes ergeben. Der offene Drehmomentschalter 43 wird nur für eine kurze Zeit des Öffnungshubes umgangen, während sich der Kegel 24 von dem Sitz 25 fortbewegt. Beendigung des Ventilöffnungshubes wird aber typischerweise auf eine andere Weise als die Ventilschliessung kontrolliert. Daher ist der offene Grenzschalter 44 so eingestellt, dass er gerade vor dem Ende des Hubes des Kegels 24 ausgelöst wird, so dass die Systemträgheit bewirken wird, dass der Kegel "leerläuft", um an einer vorbestimmten Entfernung von dem hinteren Sitz anzuhalten. Dieses findet statt, um zu vermeiden, dass sich das Ventil nach hinten setzt, und in dieser Situation arbeitet der offene Drehmomentschalter 43 als Unterstützung zum Grenzschalter 44. Wenn der Grenzschalter nicht ordnungsgemäss arbeitet, wird der Drehmomentschalter den Maximalstoss oder -belastung, die von dem Kegel auf den hinteren Sitz aufgebracht werden kann, begrenzen.
• Der Einbau und Betrieb der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung sind im wesentlichen gleich, um ein neues oder wiedererbautes motorbetriebenes Ventil zu eichen, oder um einen bestehenden Einbau zu prüfen. Im Falle des Einbaus eines neuen Ventils ist es wichtig, zuerst einen "Sicherheits"schalter in der heissen Leitung zum Operatorkontrollkreislauf einzubauen, um Notfallstillegung im Falle eines Schaltungsfehlers oder dergleichen zu gestatten. Die Grenzschalter sind auch auf geschätzte Einstellungen eingestellt. Dann ist das Verfahren für entweder existierende oder neue Einbauten wie folgt.
• Zunächst wird die Ventilkegel/spindelanordnung mit der Hand nach hinten gesetzt, indem das Handrad 45 gedreht wird. Die Grenzschalter werden dann gelöst und die Anbringungsschrauben 34 werden gelöst. Die Operatorventilanordnung wird mit der Hand in der geschlossenen Richtung betrieben, indem das Handrad in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird, bis der Operator um einen Betrag angehoben wird, der ausreicht, um zu gestatten, dass die Belastungszellen zwischen den Anbringungsoberflächen 32 und 33 jeweils des Anbringungsflansches 11 und des Operatorgehäuses 14 gesetzt werden. Die Dichtungsreibung ist typischerweise gross genung, um zu gestatten, dass der Operator angehoben wird, ohne dass der Kegel aufgesetzt wird. Der Operator wird dann mit der Hand heruntergebracht. Die Anbringungsschrauben 34 werden fest genug gezogen, um die erwünschte Vorbelastung auf die Belastungszellen zu bringen, wie vorher beschrieben. Der Ventilkegel wird auf den hinteren Sitz zurückgebracht, und die Grenzschalter werden wieder eingeschaltet. Der Schalteranzeigekreislauf 37 wird an den Operatorschalterkreislauf 38 angeschlossen. Der Strommesser oder Stromanzeiger 40 wird an der Motorleitung befestigt, um den Einbau der Vorrichtung zu vervollständigen. Das Ventil kann dann in einer normalen Weise seinen Kreislauf durchmachen, und Messung der drei überwachten Parameter können zu Ventilkreisläufen gemacht werden, und die Ablesungen oder Kurven der Parameter werden von dem Aufnahmeanalysator 36 erzeugt.
• Fig. 5 ist eine Kurve, die für eine von dem Aufnahmeanalysator 36 erzeugte Kurve typisch ist, als Ergebnis der Überwachung des Betriebes eines motorbetriebenen Ventils und Messung der drei Parameter über dem Betriebskreislauf. Die erzeugten Kurven, von oben nach unten, sind der Spindelstoss 50 oder Belastung, der Motorstrom 51, und die Drehmoment- und Grenzschalterbetätigung 52, wobei jede in Bezug auf die Stellung des Ventilkegels in dem Operationskreislauf aufgezeichnet ist. Ventilkegelstellung (oder Abszisse auf der Kurve) stellt selbstverständlich auch die Operationskreislaufzeit dar. Wenn man zunächst auf die Spindelbelastungskurve Bezug nimmt, stellt Punkt A den Punkt dar, wo der Ventilkegel den Hauptsitz 25 anfänglich berührt, und den Anfang des schnellen Aufbaus des Stosses mit der Zeit (oder der Kegelaufsetzung). Am Punkt B wird der geschlossene Drehmomentschalter ausgelöst, stellt den Motor ab, und die Bewegung hält an. Man sollte bemerken, dass, da dies ein relativ langsam arbeitendes Ventil ist, es keinen bedeutenden übermässigen Stoss als Ergebnis der Systemträgheit gibt, nachdem sich der geschlossene Drehmomentschalter öffnet. Die senkrechte Entfernung zwischen Punkten A und B ergibt eine genaue Messung des Aufsetzspindelstosses, frei von den verschiedenen Ungenauigkeiten, die bei Verfahren des Standes der Technik der indirekten Spindelstossmessung vorhanden waren.
• Das Ventil ist von Punkten B zu C geschlossen, und der Motor liegt still. Bei Punkt C wird der Öffnungshub eingeleitet, und der kleine angezeigte Stoss stellt Beruhigung der Tellerdichtungsscheiben 28 in der Federsäule 27 dar. Von Punkt C bis D kehrt das Operatorrädergetriebe Richtungen um, und man beobachtet den "toten Gang" oder das Spiel zwischen den eingreifenden Oberflächen des Schneckengetriebes und der Antriebshülse. Der eingebaute Schlag zwischen dem Schneckengetriebe 18 und der Antriebshülse 20 hilft an Punkt D, die Energie, die in der Spindel als Ergebnis des Aufsetzstosses gespeichert ist, abzugeben. Diese gespeicherte Energie wird von Punkten D bis E abgegeben. Der Bruch in der Stosskurve stellt an Punkt E die Umkehrung des Eingriffs zwischen der Spindelmutter 21 und der Ventilspindel 22 dar. Die Stossbelastung erhöht sich wiederum von Punkt E bis Punkt F, während das Ventildichtungsmaterial wieder in der Richtung nach oben oder der öffnenden Richtung ausgerichtet wird. Der flache Punkt in der Stossbelastungskurve bei Punkt F stellt das freie Spiel in der Verbindung 23 zwischen der Ventilspindel und dem Kegel dar. Der zweite Schlag findet statt, wenn dieses Spiel aufgehoben ist, und er wird von dem Stoss von Punkt F bis Punkt G dargestellt.
• Das sich leicht nach unten neigende Teil der Stosskurve 50 von seinem Ursprung zu Punkt A stellt den laufenden Stoss dar, der notwendig ist, um die Spindel und den Kegel zwischen den offenen und geschlossenen Stellungen zu bewegen. Unter statischen Bedingungen, und wenn man eine konstante Geschwindigkeit nach unten annimmt, ist die Kraft zu schliessen (laufender Spindelstoss) den Reibungskräften gleich, die überkommen werden müssen, weniger des Gewichtes der Spindel und des Kegels. Im Vergleich dazu ist der leicht nach oben steigende Teil der Stosskurve von Punkt F zum Ende der Kurve (durch Entfernung der Schlagspitze G) ist der laufende Spindelstoss, während sich das Ventil von der geschlossenen zur offenen Stellung bewegt. Der laufende Stoss zur Öffnung des Ventils ist den Reibungskräften plus dem Gewicht der Spindel und des Kegels gleich. In der Stosskurve 50, die eine Darstellung des kumulativ angewandten Stosses während eines vollen Operationskreislaufs ist, wobei die schliessenden und öffnenden laufenden Spindelstösse senkrecht voneinander durch einen Betrag H verschoben sind, der der Summe der beiden gleich ist, in Übereinstimmung mit der Formel:
• H = (Reibung + Gewicht) + (Reibung - Gewicht) 2 Reibung.
• Da sich die Gewichte der Spindel und des Kegels sich in der Summierung der laufenden Schliessungsstösse und der laufenden Öffnungsstösse gegenseitigseitig aufheben, ist die senkrechte Verschiebung H zweimal der Reibungskraft (wenn man gleiche Reibungskräfte in den geschlossenen und offenen Richtungen annimmt).
• Korrelation der Kurve 52 der Schalterbetätigung, am unteren Teil von Fig. 5, mit der Spindelstosskurve 50 liefert eine Anzeige des tatsächlichen Stosses am Punkt der Schalterbetätigung. Zum Beispiel, eine richtige Anzeige des tatsächlichen Spindelstosses an dem Punkt, an dem der geschlossene Drehmomentschalter ausgelöst wird (Punkt B'), wird anzeigen, ob der von dem Ventilhersteller entworfene Stoss ordnungsgemäss erlangt wird. Wie schon angedeutet, beruht der entworfene Stoss auf dem spezifizierten arbeitenden Differentialdruck über dem Ventil, und der Spindelstoss muss als ein absolutes Minimum erreicht werden, um sicherzustellen, dass sich das Ventil aufsetzen wird und unter den entworfenen Bedingungen ordnungsgemäss abdichten wird. Zusätzlich kann genaue Überwachung der Drehmomentschalterauslösung und Korrelation mit dem sich ergebenden Stossabfall bei Anhalt des Motors Probleme in der Motorkontrolle genau festlegen. Zum Beispiel kann Drehmomentschalterauslösung ohne korrespondierenden Abfall des Stosses einen möglicherweise schlecht funktionierenden Motorkontaktgeber anzeigen. Wenn der Motorkontaktgeber nicht abfällt, wenn sich der Drehmomentschalter öffnet (da er zum Beispiel schmutzig oder magnetisiert worden ist), kann ein bedeutender und möglicherweise schadender übermässiger Stoss stattfinden.
• Die Motorstromkurve 51, in der Mitte der Fig. 5, kann auch helfen, Operatorprobleme genauer festzulegen. Wenn man zum Beispiel nur die Schalterbetätigung und Spindelbelastungskurven ansieht und korreliert, kann es sein, dass man nicht bestimmen kann, ob ein Zustand von übermässigem Stoss wegen eines Motorkontaktgeberproblems oder wegen der Systemträgheit stattfindet. Untersuchung der entsprechenden Stromkurve gestattet aber Unterscheidung zwischen den beiden, und Erkennung der wirklichen Quelle des Problems, da der sich von der Rädergetriebeträgheit ergebende Stoss nicht von einem entsprechenden Stromfluss begleitet werden wird. In der gezeigten Stromkurve 51 trifft die Stromabschaltung an Punkt B" mit der Öffnung des geschlossenen Drehmomentschalters bei B' zusammen, und zeigt einen ordnungsgemäss arbeitenden Operator am Punkte der Ventilschliessung an.
• Die Kurven in Fig. 5 stellen ein ordnungsgemäss arbeitendes Ventil und Betätigungsvorrichtung dar. Die Diagnose und Analyse von Problemen beim Betrieb von motorbetriebenen Ventilen ist aber ein hauptsächliches Ziel der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Fig. 6 ist eine Kurve des Spindelstosses 60, des Motorstromes 61, und der Schalterbetätigungen 62 des schliessenden Hubteils eines motorbetriebenen Ventils "während des" Betriebes. Der tatsächlich gemessene Ventilspindelstoss zur Schliessung war 36595 N (8227 lb-f) (senkrechte Dimension (a) in Fig. 6). Dieses wurde mit einem empfohlenen entworfenen Spindelstoss von 12264 N (2757 lb-f) verglichen, begründet auf einer Berechnung des Stosses, der benötigt wird, um eine lecksichere Dichtung bei entworfener Strömung, Temperatur und Differentialdruck zu liefern, wie durch Dimension (b) gezeigt ist. In der tatsächlichen Praxis wird der geschlossene Drehmomentschalter absichtlich so eingestellt, dass er bei einer Stosshöhe ausgelöst wird, die um einiges höher als der entworfene Stoss ist, um einen Sicherheitsfaktor zu liefern, um sicherzustellen, dass die kritische lecksichere Dichtung erreicht worden ist. Der tatsächlich gemessene Spindelstoss in der Kurve 60 in Fig. 6 ist aber fast dreimal höher als der entworfene Stoss und sehr viel höher als notwendig, um einen typischen Sicherheitsfaktor zu liefern. Zusätzlich wurde das unangemessen hohe schliessende Drehmoment, das tatsächlich auferlegt wurde, von einem übermässigen Stoss von ungefähr 16 Prozent verschlechtert. Der übermässige Stoss ist der Zuwachs des ganzen Stosses, der auferlegt wird, nachdem sich der Drehmomentschalter öffnet. Mit Bezug auf die Schalterbetätigungskurve 62 in Fig. 6, zeigt Punkt (e) die Öffnung des Drehmomentschalters an, an welchem Punkt eine entsprechende Stosshöhe, gezeigt von Dimension (c), auf der Stosskurve 60 erreicht worden ist. Daher ist der gesamte übermässige Stoss der Unterschied zwischen dem gesamten Spindelstoss (a) und dem Stoss (c) bei der Öffnung des Drehmomentschalters. Der übermässige Stoss selbst ergibt sich direkt von den beiden Betriebsfaktoren des Ventiloperators. Zunächst gibt es eine Zeitverzögerung, nachdem sich der Drehmomentschalter öffnet (Punkt (e) auf Kurve 62), und der Motorkontaktgeber öffnet sich, um Stromfluss zum Motor anzuhalten (Punkt (g) auf der Stromkurve 61), und es ergibt sich ein Zuwachs (d) des übermässigen Stosses während dieser Zeitverzögerung. Zusätzlich ergibt Systemträgheit, nachdem der Stromfluss endet, einen Zuwachs (f) des übermässigen Stosses. Die Zuwächse (d) und (f) des übermässigen Stosses sind in ihrer Grösse besonders bei Ventilen bedeutend, die eine relativ schnelle Hubzeit haben.
• Indem die Kurven von Fig. 6 benutzt werden, um den tatsächlichen gesamten Spindelstoss und die Faktoren zu analysieren, die dazu betragen, kann eine richtige Drehmomentschaltereinstellung gemacht werden, die einen ausreichenden Sicherheitsfaktor liefert, die aber sehr unangemessene und möglicherweise schadende Stossbelastungen vermeiden wird.
• Von der vorhergehenden Beschreibung wird es klar, dass die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung das überwachen und Messen von Spindelstoss in einem motorbetriebenen Ventil mit einer Genauigkeit gestattet, die bisher nicht von dem Stand der Technik erreicht worden ist. Das vorliegende System gestattet in der Tat die genaue Identifizierung von Ventil- und Operatorkennzeichen, die in Systemen des Standes der Technik überhaupt nicht gemessen oder aufgefunden werden konnten.

Claims (17)

1. In einer Ventil- und Ventiloperatoranordnung, wobei das Ventil einen Ventilkörper (11) einschliesst, einen Ventilkegel (24) in dem Ventilkörper (11), der zwischen einer offenen Ventilstellung und einer geschlossenen Ventilstellung bewegbar ist, eine Ventilspindel (22), der an dem Ventilkegel befestigt ist, wobei der Ventiloperator (10) eine Motorkraftquelle (12) einschliesst, ein Operatorgehäuse (14), das an dem Ventilkörper (11) befestigt ist, um eine Befestigungszwischenfläche dazwischen zu liefern, und ein Kraftübertragungsmittel, das die Kraftquelle (12) und die Ventilspindel betrieblich miteinander verbindet, und angeordnet ist, um eine Operationsbsbelastung von der Kraftquelle (12) zu der Spindel zu übertragen, um Bewegung des Ventilkegels zu bewirken; eine Vorrichtung zum überwachen und Messen der tatsächlichen Ventilspindelbetriebsbelastung, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst:

(a) ein Belastungsabtastungsmittel (30), das eine Kraft abtastet, die der tatsächlichen dynamischen Ventilspindelbetriebsbelastung des Ventilkegels direkt proportional ist, und das ein Signal erzeugt, welches die abgetastete Belastung darstellt; und

(b) ein Mittel (35, 36), das das Belastungssignal in eine tatsächliche dynamische Ventilspindeloperationsbelastung umwandelt und eine Ausgabeanzeige der Ventilspindeloperationsbelastung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungsabtasungsmittel (30) betrieblich an die Befestigungszwischenfläche zwischen dem Ventilkörper (11) und dem Operatorgehäuse (14) angeschlossen ist, so dass die abgetastete Kraft zu der tatsächlichen dynamischen Ventilspindeloperationsbelastung in irgendeiner Stellung des Ventilkegels direkt proportional ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Befestigungszwischenfläche zwischen dem Operatorgehäuse (14) und dem ventilkörper (11) gegenüberliegende Anbringungsoberflächen (32, 33) einschliesst, und weiterhin folgendes einschliesst:

(a) Anbringungsschrauben (34), um das Operatorgehäuse (14) an dem Ventilkörper (11) zu befestigen; und

(b) das Belastungsabtastungsmittel (30), das zwischen den Anbringungsoberflächen (32, 33) angeordnet ist und zwischen ihnen durch die Befestigungskraft der Anbringungsschrauben (34) befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, in der das Belastungsabtastungsmittel (30) eine Anordnung von Belastungszellen umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der die Belastungszellen (30) durch die befestigenden Kräfte der Anbringungsschraube (34) auf eine Höhe vorgeladen werden, die über der maximalen Ventilspindeloperationsbelastung liegt, die sich von der Ventilschliessung ergibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der die Anordnung von Belastungszellen (30) eine einzige Belastungszelle für jede Anbringungsschraube (34) umfasst.

6. Verfahren zum Überwachen und Messen der tatsächlichen Ventilspindeloperationsbelastung in einem Ventil und Ventiloperator nach Anspruch 1, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

(a) ein Belastungsabtastungsmittel (30) wird an der Befestigungszwischenfläche befestigt, um die Reaktionskräfte zwischen dem Ventilkörper (11) und dem Operatorgehäuse (14), die sich von der Belastung, die zur Ventilspindel (22) durch die Kraftquelle (12) übertragen wird, abzutasten;

(b) die Reaktionskräfte werden an irgendeiner Stellung des Ventilkegels (24) an oder zwischen den offenen und geschlossenen Stellungen abgetastet;

(c) Signale, die die abgetasteten Reaktionskräfte darstellen, werden erzeugt;

(d) die Reaktionskraftsignale werden in tatsächliche Ventilspindeloperationsbelastungssignale umgewandelt; und

(e) eine Ausgabeanzeige der Ventilspindeloperationsbelastungen wird erzeugt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in dem das Operatorgehäuse (14) und der Ventilkörper (11) gegenüberliegende Anbringungsoberflächen (32, 33) einschliessen, und in dem der Schritt der Befestigung des Belastungsabtastungsmittels (30) umfasst, das Belastungsabtastungsmittel (30) zwischen den Anbringungsoberflächen (32, 33) einzuschieben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem das Belastungsabtastungsmittel (30) eine Anordnung von Belastungszellen umfasst.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das die Schritte einschliesst, das Operatorgehäuse (14) an dem Ventilkörper (11) zu befestigen, und eine Befestigungskraft anzuwenden, die ausreicht, um die Belastungszellen (30) auf eine Höhe vorzubelasten, die grösser als die maximale Ventilspindeloperationsbelastung ist, die sich von der Schliessung des Ventils ergibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Operatorgehäuse (14) und der Ventilkörper (11) mit Anbringungsschrauben (34) befestigt sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, in dem die Anordnung von Belastungszellen (30) eine Belastungszelle für jede Anbringungsschraube umfasst.

12. Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin die folgenden Schritte einschliesst:

(f) Grenzschaltermittel (4l,44) und Drehmomentschaltermittel (42,43) werden betrieblich an das Kraftübertragungsmittel und die Kraftquelle (12) befestigt, um die Ausgabe der Kraftquelle bei der offenen Ventilstellung und der geschlossenen Ventilstellung zu beenden;

(g) die Operation der Grenzschalter- und Drehmomentschaltermittel werden gleichzeitig mit Schritt (a) überwacht;

(h) eine Ausgabe der Schaltermitteloperation wird als Funktion der Ventilkegelstellung erzeugt;

(i) die Ausgaben von Schritten (e) und (h) werden korreliert; und

(j) die Korrelation von Schritt (i) wird benutzt, um die Operation der Anordnung zu analysieren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, in dem die Kraftquelle einen elektrischen Motor (12) umfasst, und die Grenzschalter- und Drehmomentschaltermittel einen elektromechanischen Grenzschalter, einen elektromechanischen Drehmomentschalter und einen elektrischen Kontrollkreislauf umfassen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, in dem die Ausgabe der Schaltermitteloperation ein Kontrollkreislaufspannungssignal umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 14, in dem die gemessenen Belastungen die Reaktionskräfte zwischen dem Ventilkörper (11) und dem Ventiloperator (10) sind, die sich von der Belastung ergeben, die von dem Motor (12) zur Ventilspindel (22) übertragen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, das die folgenden Schritte einschliesst:

(1) der Motorstrom wird gleichzeitig mit Schritt (a) gemessen;

(2) es wird eine Ausgabe des Stroms als Funktion der Ventilkegelstellung erzeugt; und

(3) die Augabe des Schrittes (1) wird mit den Ausgaben der Schritte (e) und (h) korreliert.

17. Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin den Schritt einschliesst, einen Berichtigungsfaktor empirisch festzusetzen, um für den Teil der Reaktionskräfte, die von den Anbringungsschrauben aufgenommen werden, zu kompensieren, und in dem der Schritt der Umwandlung der Reaktionskraftsignale umfasst, die Reaktionskraftsignale mit dem Berichtigungsfaktor zu multiplizieren.