DE69130592T2

DE69130592T2 - Integriertes Prozess-Regelventil

Info

Publication number: DE69130592T2
Application number: DE69130592T
Authority: DE
Inventors: Kenneth L. Spanish Fork Utah 84660 Beatty; Alan H. Salem Utah 84653 Glenn; Robert E. Provo Utah 84604 Gooch; Lawrence A. Mapleton Utah 84664 Haines; Edward A. Provo Utah 84604 Messano; Dennis E. Mapleton Utah 84664 O'hara
Original assignee: Valtek Inc
Current assignee: Flowserve Management Co
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: CA2043682A1; JPH04232514A; AU7709691A; BR9102243A; US5251148A; ATE174439T1; EP0462432A2; EP0462432B1; AU653151B2; JP2772159B2; EP0462432A3; CA2043682C; AU3776795A; DE69130592D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Prozeßregelventil mit einer Mehrzahl integrierter Sensoren, um verschiedene physikalische Parameter des durch das Ventil hindurchfließenden Fluids zu erfassen, und eine Steuerung zum Steuern der Arbeitsweise des Ventils.
Die US technische Zeitschrift "Control engineering", Januar 1990, Seiten 74-75 offenbart ein Prozeßregelventil, das einen Fluidventilkörper mit einem Fluiddurchgang offenbart, der einen Einlaß zur Aufnahme von Fluid und einen Auslaß zur Abgabe von Fluid einschließt. Ein steuerbares Drosselelement wird mittels einer Betätigungseinrichtung betätigt, die mit dem Ventilkörper gekoppelt ist und auf Steuersignale anspricht, um selektiv das Drosselventil zu bewegen. Ein erster Drucksensor ist an dem Einlaß des Ventils angeordnet und ein zweiter Drucksensor ist an dem Auslaß des Ventils angeordnet. Die Drucksignale, die von ihnen abgeleitet werden, werden zu einer Steuerung geschickt, um einen von den empfangenen Signalen abhängigen Ausgang zu erzeugen. Die Steuerung bestimmt den Fluiddruckabfall über den Ventilkörper, vergleicht den gemessenen Fluiddruckabfall mit einem gespeicherten, vorbestimmten Fluiddruckabfallswert und schickt ein entsprechendes Differenzsignal an die Betätigungseinrichtung, damit der tatsächliche Fluiddruckabfallswert an den gespeicherten vorbestimmten Fluiddruckabfallswert angepaßt wird.
Dies ist eine Regelschleife, die theoretisch fähig ist, den Fluidfluß durch ein Ventil zu steuern. Jedoch verlangt sie weitere Verbesserungen, damit sie in der Praxis zuverlässig anwendbar ist.
Das Lehrbuch "Installation of Instrumentation and Process Control Systems" der Benutzervereinigung von Ingenieurausrüstung, wiederaufgelegt 1981, Seiten 28 bis 29 beschreibt ein kinetisches Manometer zum Messen des Fluiddruckabfalls an einer Öffnung. Die Öffnung ist in einem geradlinigen Rohr angeordnet. Drucksensoren, die mit dem Manometer verbunden sind, sind in dem linearen Abschnitt des Rohrs stromaufwärts bzw. stromabwärts der Meßöffnung angeordnet. Dies ist eine herkömmliche Einrichtung zum Messen von Instrumenten, die für phyisikalische Experimente geeignet sind.
Es ist die Zielsetzung der Erfindung, ein verbessertes Prozeßregelventil zu schaffen, das wirksam dem Fluidfluß durch das Ventil mit erhöhter Sicherheit steuern kann.
Diese Zielsetzung wird durch ein Prozeßregelventil erreicht, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale umfaßt.
Vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die obigen und anderen Zielsetzungen der Erfindung werden in einem integrierten Prozeßregelventil ausgeführt, das einen Ventilkörper mit einem Einlaß zur Aufname eines Fluids, einem Auslaß zur Abgabe eines Fluids, einem Fluiddurchgang, der den Einlaß und den Auslaß verbindet, und ein Drosselelement einschließt, das bewegbar ist, um selektiv den Strömungsdurchsatz des Fluids zu verändern, das durch den Durchgang hindurchfließt. Eine Betätigungseinrichtung ist mit dem Ventilkörper verbunden und reagiert auf Steuersignale, um selektiv das Drosselelement zu bewegen. Ein erster Drucksensor ist an dem Einlaß des Ventilkörpers angeordnet, um ein erstes Signal zu erzeugen, das den Fluiddruck an dem Einlaß wiedergibt, und ein zweiter Drucksensor ist an dem Auslaß des Ventilkörpers angeordnet, um ein zweites Signal zu erzeugen, das den Fluiddruck an dem Auslaß wiedergibt. Eine Verwendungseinrichtung erhält und verarbeitet das erste und zweite Signal und erzeugt Regelsignale zur Anwendung auf die Betätigungseinrichtung, damit die Betätigungseinrichtung das Drosselelement in einer von den Werten des ersten und zweiten Signals abhängigen Weise bewegt.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung schließt die Verwendungseinrichtung einen Anzeigebildschirm zur Anzeige von Darstellungen des ersten und zweiten Signals ein. Solche Darstellungen schließen grafische "Kenngrößen" ein, die verschiedene gemessene Werte des ersten und zweiten Signals für verschiedene Positionen des Drosselelements zeigen. Diese "gemessenen" Kenngrößen können auf dem Anzeigeschirm entlang der Seite vorbestimmter und vorhergehend gespeicherter "richtiger" Kenngrößen angezeigt werden, um dem Benutzer zu ermöglichen, zu bestimmen, wenn das Ventil unrichtig arbeitet. Es können auch Kenngrößen erzeugt und angezeigt werden, die verschiedene gemessene Parameter des Ventils und Ventilsteuersignale zeigen. Beispielsweise können, wenn pneumatische Steuersignale verwendet werden, damit die Betätigungseinrichtung das Drosselelement bewegt, Kenngrößen der Werte der pneumatischen Steuersignale für verschiedene Positionen des Drosselelements erzeugt und angezeigt werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Temperatursensor in dem Ventilkörper angeordnet, um ein drittes Signal zu erzeugen, das die Temperatur des Fluids in dem Fluiddurchgang darstellt, und ein Drosselelementpositionssensor ist mit dem Drosselelement gekoppelt, um ein viertes Signal zu erzeugen, das die Position des Drosselelements darstellt. Diese Signale werden auch der Verwendungseinrichtung zur Anzeige und zur Verarbeitung zugeführt, um die Steuersignale zu erzeugen, die an die Betätigungseinrichtung angelegt werden.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der Erfindung werden das erste, zweite, dritte und vierte Signal zusammen mit gewissen vorbestimmten Parametern verarbeitet, die die Form, die Größe, usw. des Ventilkörpers kennzeichnen, der verwendet wird, um ein Maß der Durchflußrate des durch den Fluiddurchgang fließenden Fluids zu erzeugen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obige und andere Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus einer Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen geboten wird, in denen:
Fig. 1 eine Seiten- und Seitenteilquerschnittsansicht eines Prozeßregelventils zeigt, das gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung herstellt ist;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm des Prozeßregelventils der Fig. 1 ist, wobei verschiedene Parameter des Ventils und des durch das Ventil hindurchfließenden Fluids dargestellt sind, die zur späteren Verwendung oder Anzeige erfaßt werden können;
Fig. 3 und 4 grafische Darstellungen der Werte verschiedener Parameter des Ventils der Fig. 1 sind, wenn das Ventil geöffnet bzw. geschlossen ist;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm ist, das zur Berechnung der Durchflußrate einer Flüssigkeit durch das Ventil der Fig. 1 geeignet ist; und
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm ist, das zur Berechnung der Durchflußrate einer Flüssigkeit durch das Ventil der Fig. 1 geeignet ist.

Ausführliche Beschreibung

Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der eine beispielhafte Ausführungsform eines integrierten Prozeßregelventils gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Das Ventil schließt einen Ventilkörper 4 mit einem Einlaß 8, einem Auslaß 12 und einen Fluiddurchgang 16 ein, der den Einlaß und den Auslaß verbindet. Mittig in dem Ventilkörper 4 ist eine mittige Öffnung 20 gebildet, die von einem Ventilsitz 24 zur Aufnahme eines Ventilstopfens 28 umgeben ist. Der Ventilstopfen 28 ist mit dem unteren Ende eines Ventilschafts 32 verbunden, der sich nach oben und aus dem Ventilkörper 4 zu einem Ort innerhalb eines Zylinders 36 erstreckt, der Teil einer Betätigungseinrichtung 40 ist, die am oberen Ende des Ventilkörpers angeordnet ist.
Die Betätigungseinrichtung 40 enthält auch ein Joch 44, an dem der Zylinder 36 angeordnet ist, und das seinerseits an einem Ventildeckel 48 befestigt ist, der in einer Öffnung 52 in dem oberen Ende des Ventilkörpers 4 angeordnet ist. Ein Ventildeckelflansch 56 und Bolzen 60 halten den Ventildeckel 48 in der Öffnung 52 in seiner. Der Schaft 32 erstreckt sich durch den Ventildeckel 48 hindurch nach oben und ist verschiebbar durch eine obere Führung 62 und eine untere Führung 63 in seiner Lage gehalten, die von dem Ventildeckel umgeben sind. Der Ventilschaft 32 erstreckt sich auch durch das Joch 44 hindurch und in den Zylinder 36, wo ein Kolben 68 an dem oberen Ende des Stöpsels angeordnet ist.
Der Zylinder 36 enthält Öffnungen 72 und 76, um Druckluft in dem Inneren des Zylinders oberhalb und unterhalb des Kolbens 68 aufzunehmen, um dadurch die Positionierung des Kolbens 68 in dem Zylinder und somit die Position des Stopfens 28 zu steuern. Das heißt, wenn Luft, die der Öffnung 72 zugeführt wird, einen größeren Druck als diejenige aufweist, die der Öffnung 76 zugeführt wird, wird der Kolben 68 nach unten gedrückt und umgekehrt.
An der Seite des Jochs 44 ist eine Ventilpositionierungseinrichtung 80 angebracht, die Druckluft von einer Luftversorgung 84 erhält und in Reaktion auf ein elektrisches Steuersignal, das über die Leitung 88 von einer Steuerung 120 zugeführt wird, einen Steuerdruck erzeugt, durch den Druckluft selektiv entweder zu der Öffnung 72 oder der Öffnung 76 in den Zylinder 36 gelenkt wird.
Die Positionierungseinrichtung 80 enthält einen Arm 92, der mit einer Schaftklemme 94 gekoppelt ist, die ihrerseits mit dem Schaft 32 verbunden ist, so daß jede Positionsänderung des Stopfens 28 und somit des Schafts 32 durch die Positionierungseinrichtung erfaßt werden kann. Die Position des Schafts 32, wie sie durch den Arm 92 erfaßt wird, wird mechanisch in eine Kraft (beispielsweise durch Änderung einer Feder wiedergegeben) umgewandelt und dann mit einer Kraft verglichen, die ein Eingangssignal von der Steuerung 120 darstellt, das über die Leitung 88 zugeführt wird, um die Differenz der Kraftwerte zu bestimmen. Die Positionierungseinrichtung 80 bewirkt dann, daß sich der Kolben 68 bewegt, bis die Signalwerte passen, was angibt, daß sich der Kolben und somit der Stopfen 28 in die richtige Position bewegt worden sind. Die Position des Schafts 32 und somit des Stopfens 28 wird durch die Steuerung 120 über einen Positionssensorarm 96 erfaßt, der verschwenkbar an der Steuerung angebracht und mit der Schaftklemme 94 gekoppelt ist. Ein Winkelpositonssensor, der in der Steuerung 120 angeordnet ist, erfaßt die Winkelposition des Arms 96 und somit die Position des Schafts 32. Diese Information wird der Steuerung 120 zur Verfügung gestellt.
Die obige Beschreibung gilt allgemein für ein herkömmliches Prozeßregelventil, das zum Beispiel von Valtek in Springville, Utah, erhältlich ist. Es gibt natürlich andere Arten Prozeßregelventile, bei denen die vorliegende Erfindung verwendet werden könnte, aber das in Fig. 1 beschriebene Ventil dient als eine geeignete Darstellung aller bekannten Teile und Arbeitsweise eines Prozeßregelventils, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
In dem Ventilkörper 4 ist eine Anzahl Sensoren angeordnet, die einen Drucksensor 104 einschließen, der in der Seitenwand des Fluiddurchgangs 16 nahe dem Einlaß 8 und an einem Ort angeordnet ist, wo die axialen Seitenwände des Durchgangs allgemein geradlinig oder nicht gekrümmt sind. Der Zweck hiervon ist, den Sensor 104 an einem Ort in dem Ventilkörper 4 anzuordnen, wo eine wiederholbare, kontinuierliche Druckmessung unbeeinflußt von Strömungsproblemen gemacht werden kann. Das wird am besten an einem axial geradlinigen Abschnitt des Durchgangs 16 erreicht. Ein zweiter Druckfühler 108 ist an dem Auslaß 12 des Ventilkörpers 4 wiederum an der Seitenwand und an einem Ort angeordnet, wo die Achse der Fluidströmung im wesentlichen wiederholbare, kontinuierliche Drücke erzeugt. Die Sensoren 104 und 108 befinden sich auf der Seite des Durchgangs 16 statt an der Unter- oder Oberseite, um eine Verunreinigung und Störung durch Abfälle und Zunder zu vermeiden, die am Boden entlang fließen, oder von Gasblasen, die an der Oberseite liegen. Die Drucksensoren 104 und 108 können irgendeine Art Fluiddrucksensoren sein, wie ein herkömmliches Membrandehnungsmeßgerät.
Die Drucksensoren 104 und 108 erzeugen Signale, die durch die Leitung 112 bzw. 116 zu einer Steuerung 120 geführt werden, die an der Seite des Jochs 44 angebracht ist. Vorteilhafter Weise umfassen die Drucksignale Spannungspegel zur Zuführung zu der Steuerung 120 zur anfänglichen Speicherung und dann zur Verarbeitung. Die Steuerung 120 wäre vorteilhafter Weise ein Mikroprozessor, wie der Intel 8032 Mikrocontroller oder der Motorola 68332 Mikroprozessor.
In dem Fluiddurchgang 16 des Ventilkörpers 4 ist auch ein Temperatursensor 124 angeordnet, und die Temperatur des in dem Durchgang fließenden Fluids zu erfassen. Der Sensor 124 kann beispielsweise ein Thermoelement-Temperatursensor sein, der zum Messen von Temperaturen über einen breiten Bereich geeignet ist. Der Temperatursensor 124 erzeugt ein Signal, das durch die Leitung 128 ebenfalls der Steuerung 120 zugeführt wird.
Auf der stromabwärtigen Seite des Ventilsitzes 24 ist in dem Fluiddurchgang 16 ein Cavitationssensor 132 angeordnet. Dieser Sensor erzeugt ein Signal, das die Cavitation oder Turbulenz wiedergibt, die in dem engsten Teil des Durchgangs 16 auftritt (Vena Contracta), wo eine solche Cavitation von Bedeutung ist. Das derart erzeugte Signal wird ebenfalls über die Leitung 136 der Steuerung 120 zugeführt. Der Cavitationssensor 132 ist eine herkömmliche Erfassungseinrichtung, wie ein Beschleunigungsmesser oder ein akustischer Wandler.
Zwei Luftdrucksensoren sind in dem Zylinder 36 der Betätigungseinrichtung 40 vorgesehen, die einen Sensor 140 zum Erfassen des Luftdrucks oberhalb des Kolbens 68 und einen Sensor 144 zur Erfassung des Drucks unterhalb des Kolbens, beide in dem Zylinder 36, einschließen. Von den Sensoren 140 und 144 erzeugte Signale, die die erfaßten Luftdrücke darstellen, werden über die Leitung 142 bzw. 144 der Steuerung 120 zugeführt.
Andere Parameter, die von der Steuerung 120 erfaßt und verwendet werden, sind der Luftdruck von der Luftversorgung 84 (ein kennzeichnendes Signal, das über die Leitung 148 der Steuerung zugeführt wird, die Position des Kolbens 68 und somit des Schafts 32, wie sie durch den Arm 92 bestimmt wird (ein kennzeichnendes Signal wird über die Leitung 152 zugeführt) und ein Steuerdruck, der durch die Positionierungseinrichtung 80 in Reaktion auf die elektrischen Signale erzeugt wird, die über die Leitung 88 zugeführt werden (kennzeichnendes Signal, das durch die Positionierungseinrichtung 80 über die Leitung 156 zugeführt wird).
Eine Anzahl Parameter, die für das in Fig. 1 gezeigte Ventil erfaßt wird, sind durch die dort gezeigte besondere Ventilstruktur spezifiziert. Es versteht sich, daß eine Vielzahl anderer Parameter ebenfalls durch eingebaute Erfassungseinrichtungen erfaßt oder gemessen werden könnte, wenn andere Ventilstrukturen verwendet würden. Signale, die diese Parameter darstellen, könnten auch der Steuerung 120 zugeführt werden, wie es für den Benutzer erwünscht ist.
Es wird nun auf Fig. 2 bezug genommen, in der ein schematisches Diagramm des integrierten Prozeßregelventils der Fig. 1 gezeigt ist, wobei der Ventilkörper bei 4 in schematischer Form gezeigt ist, der Ventilschaft bei 32 gezeigt ist, der Zylinder der Betätigungseinrichtung bei 36 gezeigt ist, der Kolben bei 68 gezeigt ist, die Positionierungseinrichtung bei 80 und der Positionierungsarm bei 92 gezeigt sind. Andere Teile der Fig. 2, die der Vorrichtung der Fig. 1 entsprechen, sind die Steuerung 120 (die aber nicht an der Seite des Joches befestigt, wie in Fig. 1, gezeigt ist), eine Positionssensorleitung 152, um Signale zu der Steuerung zu führen, die die Position des Kolbens 168 wiedergeben, eine Steuerdruckleitung 156, um Signale zu führen, die den von der Positionierungseinrichtung 80 erzeugten Steuerdruck darstellen, eine Steuersignalleitung 88, um die elektrischen Steuersignale von der Steuerung zu der Positionierungseinrichtung zu führen, eine Luftzufuhrdruckleitung 148, um Signale zu führen, die den von der Versorgung 84 zugeführten Luftdruck darstellen, eine Ventileinlaß- und Auslaßdruckleitung 112 bzw. 116, um Signale zu führen, die den Fluiddruck an dem Einlaß des Ventilkörpers 4 und an dem Auslaß des Ventilkörpers darstellen, eine Temperaturmeßleitung 128, um Signale zu führen, die die Temperatur des Fluids in dem Ventilkörper 4 darstellen, und eine Cavitationsmeßleitung 136, um Signale zu führen, die die Cavitation darstellen, die in der vena contracta des Ventilkörpers 4 auftreten, die alle wie vorhergehend erörtert sind. Schließlich wird der Luftdruck in dem Zylinder 36 oberhalb des Kolbens 68 durch einen Drucksensor 140 bestimmt, der in einer Einlaßluftdruckleitung 204 angeordnet gezeigt ist (statt in der Seitenwand des Zylinders 36, wie in Fig. 1), und der Luftdruck in dem Zylinder 36 unterhalb des Kolbens 68 wird durch einen Drucksensor 144 bestimmt, der in einer Einlaßdruckleitung 208 angeordnet gezeigt ist.
Die Steuerung 120 ist programmiert, Signale, die von den verschiedenen Sensoren zugeführt werden, zu lesen, zu speichern und zu verarbeiten, wie es von dem Benutzer er wünscht ist, und dann ein Signal der Positionierungseinrichtung 80 mitzuteilen, die Position des Kolbens 68 und somit die Position des Stopfens 28 zu ändern (Fig. 1), um das Ventil in Übereinstimmung mit gewissen vorbestimmten Eigenschaften zu bringen. Beispielsweise könnten vorbestimmte Einlaßdrücke P&sub1; und Auslaßdrücke P&sub2; oder eine vorbestimmte Temperatur T der Steuerung 120 auf einer Eingabeeinrichtung 212 eingetastet und gespeichert werden.
Die Steuerung 120 könnte dann programmiert werden, aufeinanderfolgend den Einlaß- und Auslaßdruck und die Temperatur des Fluids in dem Ventilkörper 4 zu überwachen und dann Einstellungen bei der Position des Kolbens 68 vorzunehmen, um ausgewählte, gemessene Parameter mit den entsprechenden vorbestimmten gespeicherten Parametern in Übereinstimmung zu bringen. Die Steuerung 120 kann auch programmiert werden, eine Vielzahl Daten, Kurven und "Kenngrößen" zu entwickeln, die auf einem Videoanzeigeschirm 216 zur Betrachtung durch den Benutzer angezeigt werden können. Des weiteren kann eine Kenngröße des Ventils vor der Verwendung erzeugt werden und diese Kenngröße kann in der Steuerung 120 zum Vergleich mit Kenngrößen gespeichert werden, die zu verschiedenen Zeiten erzeugt werden, während das Ventil im Einsatz ist. Beispielsweise kann eine Kenngröße, die aus den richtigen Drücken, der Temperatur und den Strömungsraten für verschiedene Positionen des Stopfens 28 (und somit verschiedene Flußleistungen Cv) bestimmt und in der Steuerung zum nachfolgenden Vergleich mit entsprechend gemessenen Kenngrößen gespeichert werden, um zu bestimmen, wenn das Ventil arbeitet und der Prozeß richtig fortschreitet.
Die internen Parameter des Ventils, wie der Luftdruck Pu in dem Zylinder oberhalb des Kolbens, der Luftdruck Pd in dem Zylinder unterhalb des Kolbens, die von der Positionierungseinrichtung Pu erzeugte Steuerung des Drucks, der Luftzuführdruck Ps und die Position des Kolbens und des Ventilschafts, könnten auch gemessen, gespeichert und auf einem Anzeigeschirm 216 angezeigt werde (Fig. 2). Vorbestimmte, zulässige Bereiche dieser Parameter könnten auch mit entsprechenden gemessenen Werten für die Parameter (beispielsweise auf dem Anzeigeschirm 216) verglichen werden, um dem Benutzer zu ermöglichen, zu bestimmen, wenn die gemessenen Parameter innerhalb annehmbarer Bereiche sind.
Die Fig. 3 und 4 zeigen repräsentative Kurven verschiedener Parametermessungen des Prozeßregelventils der Fig. 1, wenn das Ventil allmählich geöffnet wird (Fig. 3) und wenn das Ventil allmählich geschlossen wird (Fig. 4). Solche Kurven können auf dem Anzeigeschirm 216 (Fig. 2) angezeigt werden, um dem Benutzer zu zeigen, wie das Ventil arbeitet. Die verschiedenen Linien der Kurven der Fig. 3 und 4 sind bezeichnet, damit sie der oben gegebenen Parameterkennung entsprechen.
Es könnten noch andere Verwendungen der gemessenen Parameter gemacht werden, sowohl von dem durch das Ventil hindurchfließenden Fluid als auch von der internen Arbeitsweise des Ventils, wie der Vornahme und Speicherung von Messungen zu einem Zeitpunkt und dann zu einem späteren Zeitpunkt der Vornahme und Speicherung neuer Messungen und einem Vergleich dieser mit den vorhergehend gespeicherten Messungen, um zu bestimmen, ob eine bedeutende und möglicherweise einen Fehler anzeigende Änderung während der Zeitdauer seit der Vornahme der ersten Messungen bis zu der Vornahme der zweiten Messungen stattgefunden hat. Natürlich könnte, wenn ein Problem bei irgendeiner der beschriebenen Diagnoseverfahren angegeben wird, eine korrigierende Wirkung unmittelbar ausgeführt werden.
Das integrierte Prozeßregelventil, das in den Fig. 1 und 2 beschrieben und gezeigt ist, könnte auch verwendet werden, eine "Kenngröße" des Prozesses und der stattfindenden Arbeitsweise bei anderen Komponenten des Systems zu liefern, in denen das Ventil eingebaut ist. Beispielsweise sind Pumpen, andere Ventile, Haltetanks, usw. typischerweise konstruiert, daß sie innerhalb gewisser Spezifikationen bzgl. Druck, Temperatur, usw. arbeiten, und Druck- und Temperaturmessungen könnten durch das Ventil der vorliegenden Erfindung vorgenommen und mit vorhergehend gelieferten Spezifikationswerten für die anderen Komponenten verglichen werden, mit denen das Ventil verbunden ist, um dadurch zu bestimmen, ob die gemessenen Parameter mit den Spezifikationswerten vergleichbar sind.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms, das bei der Steuerung 120 zur Berechnung der Flüssigkeitsdurchflußrate in dem Ventilkörper 4 ausgeführt werden kann. Der erste Schritt nach dem Start ist, die Position des Ventilpfropfens (Kolben) und den Ventileinlaßdruck, den Ventilauslaßdruck und die Temperatur des Fluids zu messen, das in dem Ventil bei gegebenen Positionen des Ventilpfropfens (Kasten 304) fließt. Diese Messungen werden der Ventilsteuerung zugeführt, die die Messungen zur nachfolgenden Verarbeitung speichert. Als nächstes wird der Druckabfall Δ Pv über den Ventilkörper bei verschiedenen Ventilstopfenpositionen gemäß der Formel des Kastens 308 berechnet. Dieser Druckabfall wird auf ISA Normen korrigiert, da nachfolgende Berechnungen zur Bestimmung der Durchflußrate alle mit diesen ISA Normen verbunden sind. Die Korrekturformel ist im Kasten 312 gezeigt, wo a und b empirisch bestimmte Konstanten für verschiedene Positionen des Ventilpfropfens für das betreffende be stimmte Ventil sind, was typischerweise vorgenommen wird, um Änderungen bei der Druckablesung auszugleichen.
Als nächstes wird der Dampfdruck Pv der Flüssigkeit gemäß der im Kasten 316 gezeigten Formel berechnet, wo A, B und C Antoines Koeffizienten für die betreffende Flüssigkeit sind. Der Fluiddruckverhältnisfaktor Ff wird dann gemäß der Formel berechnet, die im Kasten 320 angegeben ist, wo Pc der kritische Druck für die bestimmte durch das Ventil fließende Flüssigkeit ist. Der Strömungskoeffizient C" und der Fluiddruckerholungskoeffizient FL für das Ventil werden aus im voraus gespeicherten Tabellen für das bestimmte Ventil und für verschiedene Positionen des Ventilpfropfens bestimmt.
Als nächstes wird das Ventil geprüft, um zu bestimmen, ob es gedrosselt (choked) (Cavitationen erzeugt) und dies wird gemacht, indem zuerst der Druckabfall über das Ventil für den gedrosselten Zustand ΔP (gedrosselt) gemäß der Formel berechnet wird, die im Kasten 328 gezeigt ist. Das spezifische Gewicht Gf der Flüssigkeit wird als nächstes gemäß der Formel im Kasten 332 berechnet, wo GFB, Tc und TB bekannte Konstanten für die betreffende besondere Flüssigkeit sind. Im Kasten 336 wird eine Bestimmung gemacht, ob der Druckabfall, der im Kasten 312 berechnet worden ist, größer als der Druckabfall für ein gedrosseltes Ventil ist oder nicht, der im Kasten 328 berechnet worden ist, und wenn es so ist, geht das Verfahren zu dem Kasten 340, sonst geht das Verfahren zu dem Kasten 344. In beiden Fällen wird die Durchflußrate q unter Verwendung von Formeln berechnet, die in den Kästen gezeigt sind, um die erwünschte gegenwärtige Durchflußrate zu geben.
Die berechnete Durchflußrate kann entweder verwendet werden, den Benutzer mittels einer Sichtanzeige im Hinblick auf die gegenwärtige Durchflußrate des Fluids in dem Ventil zu benachrichtigen oder eine Angabe für die Steuerung zu liefern, in welche Richtung der Ventilstopfen bewegt werden muß, um die Durchflußrate zu ändern und somit näher zu einem vorbestimmten erwünschten Durchflußratenwert zu bringen. Die Steuerung würde das geeignete Signal zur Zuführung zu der Ventilpositionierungseinrichtung erzeugen, damit die Ventilpositionierungseinrichtung die Position des Ventilstopfens ändert, woraufhin Messungen und Berechnungen erneut ausgeführt werden, um den Mengendurchsatz zu erhalten. Dieses Verfahren würde wiederholt werden, bis die erwünschte Durchflußrate erreicht wäre.
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Berechnung der Durchflußrate eines Gases in dem Ventil der Fig. 1 und 2. Wie bei Flüssigkeiten ist der erste Schritt nach dem Start, die Position des Ventilpfropfens und den Ventileinlaßdurck, den Ventilauslaßdruck und die Ventilfluidtemperatur zu messen, wie es im Kasten 404 angegeben ist. Der Dampfdruck des Gases Pv wird dann berechnet (Kasten 408), wobei eine bereits erörterte Formel verwendet wird. Eine Bestimmung wird dann vorgenommen, ob die gemessene Temperatur T größer als die kritische absolute Temperatur Pc (für das betreffende durch das Ventil fließende Gas) ist, wie es im Kasten 412 angegeben ist. Wenn es so ist, geht das Verfahren zu dem Kasten 416, sonst geht das Verfahren zu dem Kasten 420. Beim Kasten 420 wird eine Bestimmung gemacht, ob der Ventileinlaßdruck Pi größer als oder gleich dem Dampfdruck Pv ist, und wenn er es ist, wird das Verfahren angehalten, da das in dem Ventil fließende Fluid eine Flüssigkeit statt eines Gases sein kann.
Unter der Annahme, daß das Fluid in dem Ventil ein Gas ist und daß sich das Verfahren entweder vom Kasten 412 oder vom Kasten 420 zu dem Kasten 416 bewegte, wird der Ventileinlaßdruck auf die ISA Norm kalibriert, und der Ventilauslaßdruck, der auch auf die ISA Norm kalibriert wird, wird durch eine Nachschlagtabelle bestimmt, die früher durch experimentelle Tests bestimmt und in der Steuerung gespeichert worden ist.
Der nächste Schritt bei dem Verfahren ist, Pr und Tr (Kasten 420) zu berechnen, die zusammen mit gespeicherten Tabellen verwendet werden, den Kompressibilitätsfaktor Z des Gases (Kasten 424) zu bestimmen, wo Pc der kritische Druck (psia) für das Gas ist. Im Kasten 428 werden der Strömungskoeffizient Cv und der Gasdruckerholungskoeffizient Xt für verschiedene Ventilpositionen aus vorbestimmten, vorhergehend gespeicherten Tabellen bestimmt.
Das Verhältnis des Druckabfalls über das Ventil zu dem Ventileinlaßdruck wird dann im Kasten 432 berechnet, gefolgt von einer Bestimmung, ob X größer als Xt ist (Kasten 436). Wenn es so ist (was bedeutet, daß ein gedrosselter Zustand vorliegt), wird X gleich Xt gesetzt (Kasten 440), und das Verfahren geht zu dem Kasten 444, wohingegen, wenn es nicht so ist, das Verfahren unmittelbar zu 444 geht. Der Ausdehnungsfaktor Y wird gemäß der im Kasten 440 angegebenen Formel berechnet, wo Fk gleich K/1,40 ist und K das Verhältnis der spezifischen Wärmen für das betreffende Gas ist. Schließlich wird die Durchflußrate q im Kasten 448 berechnet, wie es durch die Formel angegeben ist.
Nach der Berechnung der Durchflußrate für das Gas kann die Steuerung entweder die berechnende Rate anzeigen, sie verwenden, die Position des Ventilstopfens einzustel len, um dadurch die Durchflußrate zu ändern, oder beides, wie es vorhergehend zur Berechnung der Flüssigkeitsdurchflußrate beschrieben worden ist.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen nur beispielhaft für die Anwendung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung sind. Zahlreiche Abänderungen und alternative Anordnungen können von dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet entwickelt werden.

Claims

1. Prozeßregelventil, aufweisend:

einen Fluidventilkörper (4) mit einem Fluiddurchgang (16), welcher einen Einlaß (8) zur Aufnahme von Fluid und einen Auslaß (12) zur Abgabe von Fluid beinhaltet, wobei der Fluiddurchgang (16) einen im wesentlichen linearen Abschnitt am Einlaß (8), einen im wesentlichen linearen Abschnitt am Auslaß (12) und einen gekrümmten Abschnitt zwischen dem Einlaß (8) und dem Auslaß (12) hat;

ein regelbares Drosselelement (28), das den Fließquerschnittsbereich von mindestens einem Abschnitt des Durchflusses (16) selektiv verändernd bewegbar ist;

an den Ventilkörper (4) gekoppelte Betätigungsmittel (40), welche auf Steuersignale zum selektiven Bewegen des Drosselelements (28) ansprechen;

einem ersten Drucksensor (104), welcher in dem linearen Abschnitt in einer Seite des Einlasses (8) des Ventilkörpers (4) in dem Fluiddurchgang (16) an einem derartigen Platz angebracht ist, daß eine wiederholbare, kontinuierliche Druckmessung durchführbar ist, um ein den Druck P1 des Fluids am Einlaß (8) darstellendes erstes Signal zu erzeugen;

einen zweiten Drucksensor (8), welcher in dem linearen Abschnitt an einer Seite des Auslasses (12) des Ventilkörpers (4) in dem Fluiddurchgang (16) an einem derartigen Platz angeordnet ist, daß eine wiederholbare, kontinuierliche Druckmessung durchführbar ist, um ein den Druck P2 des Fluids am Auslaß (12) darstellendes zweites Signal zu erhalten;

einen stromabwärts des Drosselelements (28) in dem Ventilkörper (4) angeordneten Kavitationssensor (132), welcher ein die in dem Fluiddurchgang (16) auftretende Kavitation des Fluids darstellendes Signal erzeugt;

einen das erste und zweite Signal empfangenden und eine von den empfangenen Signalen abhängige Ausgangsgröße produzierender Regler (120);

wobei der Regler (120) aufweist:

Druckbestimmungsmittel, welche den Fluiddrtickabfalls über den Ventilkörper (4) aus dem ersten und zweiten Signal bestimmen;

Speichermittel, welche einen vorbestimmten Fluiddruckabfallwert speichern;

Vergleichsmittel, welche den Fluiddruckabfall mit dem gespeicherten Fluiddruckabfallwert vergleichen und ein Differenzsignal erzeugen, dessen Größe eine Differenz zwischen den verglichenen Werten darstellt;

und Erzeugungsmittel, welche ein Steuersignal zur Anwendung auf das Betätigungsmittel (14) erzeugen, womit das Drosselelement (28) bewegt wird, um den Fluiddruckabfall über den Ventilkörper (4) besser in Übereinstimmung mit dem gespeicherten vorbestimmten Fluiddruckabfallwert zu bringen und die Größe des Differenzsignals zu vermindern.

2. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Regler (120) weiterhin Mittel zum Betimmen von Pi(ISA) und Po(ISA) des ersten und zweiten Signals aufweist, wobei Pi(ISA) und Po(IsA) den in ISA-Standard kalibrierten Fluiddruck jeweils am Einlaß (8) und am Auslaß (12) des Ventilkörpers (4) darstellen.

3. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß es weiterhin einen in dem Fluiddurchgang (16) angeordneten Temperatursensor (124) aufweist, welcher ein die Temperatur T&sub1; des Fluids in dem Fluiddurchgang (16) darstellendes Drittes Signal erzeugt; und

der Regler (20) zum Empfangen des dritten Signals angepaßt ist.

4. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (120) ein Verarbeitungsmittel aufweist, welches aufweist:

Mittel, welche einen vorbestimmten Temperaturwert speichern;

Mittel, welche das die Temperatur T1 des Fluids darstellende Signal mit dem gespeicherten Temperaturwert vergleichen und ein Differenzsignal erzeugen, dessen Größe die Differenz zwischen den verglichenen Werten darstellt.

5. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin aufweist:

einen Temperatursensor (124), welcher ein die Temperatur T1 des Fluids in dem Fluiddurchgang darstellendes drittes Signal erzeugt; und

ein Drosselelementpositionssensor (96), welche eine die Flußkapazität G, des Ventilkörpers (4) darstellendes viertes Signal erzeugt; und

wobei der Regler weiterhin Verarbeitungsmittel aufweist, welche die Durchflußrate des Fluids in dem Durchgang (16) aus dem ersten, zweiten und vierten Signal bestimmen.

6. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Flüssigkeit mit einem spezifischen Gewicht GF ist, und wobei das Verarbeitungsmittel gespeicherte Programmsteuermittel zum Bestimmen der Durchflußrate Q entsprechend

aufweist, wobei k eine für den Ventilkörper bestimmte Maßkonstante ist und Cv die Durchflußkapazität des Ventilkörpers ist.

7. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das Fluid eine Flüssigkeit mit einem Molekulargewicht M und einem Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten k ist, und wobei das Verarbeitungsmittel ein gespeichertes Programmsteuermittel zum Bestimmen der Durchflußrate Q gemäß

aufweist, wobei g eine für den Ventilkörper bestimmte Maßkonstante ist; Cv die Durchflußkapazität des Ventilkörpers ist,

Y ein Expansionsfaktor gleich 1-ΔP/P&sub1;3FXT ist, wobei Fk = k/1.40, XT der Enddruckabfall des Ventilkörpers ist, und

Z ein Kompressibilitätsfaktor des jeweiligen Gases für ein bestimmtes T&sub1; und P&sub1; ist.

8. Prozeßregelventil gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verarbeitungsmittel folgendes aufweist:

Mittel, welche einen vorbestimmten Durchflußratenwert speichern;

Mittel, welche die vorbestimmte Durchflußrate mit dem gespeicherten Durchflußratenwert vergleichen und ein Differenzsignal erzeugen, dessen Größe die Differenz zwischen den verglichenen Werten darstellt.

9. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin aufweist:

mindestens einen in dem Fluiddurchgang (16) angeordneten weiteren Sensor(124), welcher mindestens ein einen physikalischen Parameter des in dem Fluid vorhandenen Ventilkörpers (14) darstellendes weiteres Signal erzeugt und der Regler (120) zur Aufnahme des weiteren Signals ausgebildet ist.

10. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (120) desweiteren Mittel zum Erzeugen einer visuellen Anzeige des weiteren Signals aufweist.

11. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Positionserfassungsmittel (96) aufweist, welches ein die Position des Drosselelements (28) in dem Ventilkörper (4) darstellendes Positionssignal erzeugt, und Steuersignalerfassungsmittel aufweist, welche ein Statussignal erzeugen, das die Größe des an das Betätigungsmittel (40) gegebenen Steuersignals darstellt; und

wobei das die visuelle Anzeige erzeugende Mittel einen Anzeigeschirm aufweist; und

es Mittel aufweist, welche eine bestimmte Anzeige auf dem Schirm erzeugen, welche sichtbare Kenngrößen sind, die jedes der weiteren Signale, das Positionssignal und das Statussignal darstellen.

12. Prozeßregelventil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement (28) ein Ventilstopfen ist, welcher zum selektiven Verändern der Größe des Ventildurchgangs, durch den Fluid fließt, bewegbar ist, um dadurch die Durchflußrate des durch das Ventil fließenden Fluidstroms zu variieren, das Betätigungsmittel (40) ein auf pneumatische Steuersignale (Pu, Pd) ansprechender Ventilbetätiger ist, der einen Druck zum selektiven Bewegen des Ventilstopfen (28) erzeugt, und das Regelventil des weiteren einen Ventilpositionierer (80) beinhaltet, welcher auf Steuersignale anspricht, um pneumatische Steuersignale von einer Luftversorgungsquelle (84) angewendet auf den Ventilbetätiger (40) erzeugt,

und ein Ventildiagnosesystem vorgesehen ist, welches aufweist:

Mittel, welche die Position des Ventilstopfens (28) anzeigende Signale erzeugen; den ersten Drucksensor (104);

den zweiten Drucksensor (108);

Mittel, welche die Positionssignale und die Drucksignale am Einlaß P&sub1; und am Auslaß P&sub2; speichern; und

Mittel, welche Darstellungen der Einlaß- und Auslaßdrucksignale an bestimmten Positionen des Ventilstopfens (28) anzeigen.

13. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventildiagnosesystem des weiteren in einer Wand des Ventilkörpers (4) nahe dem Ventildurchgang (16) angeordnete Mittel (124) aufweist, welche die Temperatur des Fluids in dem Durchgang (16) angebende Signale erzeugt;

wobei das Speichermittel weiterhin Mittel beinhaltet, welche temperaturangebende Signale speichert, und

wobei das Anzeigemittel (216) des weiteren Mittel aufweist, welche Darstellungen des temperaturangebenden Signals für bestimmte Positionen des Ventilstopfens (28) anzeigt.

14. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventildiagnosesystem des weiteren auf das Einlaß- und Auslaßdrucksignal und das Positionssignal zum Berechnen der Durchflußrate des Fluids durch den Ventilkörper (4) ansprechende Verarbeitungsmittel beinhaltet, wobei das Speichermittel des weiteren Mittel aufweist, welche die Durchflußratenberechnung speichert und wobei das Anzeigemittel (216) weiterhin Mittel beinhaltet, welche Darstellungen der Durchflußratenberechnungen an bestimmten Positionen des Ventilstopfens (28) anzeigen.

15. Prozeßregelventil gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventildiagnosesystem weiterhin folgendes beinhaltet:

Mittel (140, 144), welche den Druck in dem Ventilbetätiger (40) angebende Signale Pa erzeugen;

Mittel, welche den Druck der Luftversorgungsquelle (84) angebende Signale Ps erzeugen;

Mittel, welche den Druck des pneumatischen Steuersignals angebenden Signals Pc erzeugen;

Mittel (96, 94), welche die Position des Ventilstopfens (28) angebende Signale P erzeugen;

wobei das Speichermittel Mittel beinhaltet, welche die Signale Pa, Ps, Pc und P speichern und

wobei das Anzeigemittel (260) Mittel beinhaltet, welche Darstellungen der Signale Pa, Ps und Pc an ausgewählten Positionen des Ventilstopfens anzeigen.

16. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventildiagnosesystem weiterhin folgendes beinhaltet:

Signalerzeugungsmittel, welche Steuersignale erzeugen, die die Position definieren, zu welcher der Ventilstopfen (28) zu bewegen ist;

wobei das mindestens eine weitere Sensormittel desweiteren Mittel aufweist, welche den Wert des Steuersignals angebende Signale Ic erzeugen;

wobei das Speichermittel desweiteren Mittel aufweist, welche die Signale Ic speichern; und

wobei das Anzeigemittel (216) desweiteren Mittel beinhaltet, welche Darstellungen der Signale Ic an ausgewählten Positionen des Ventilstopfens anzeigt.

17. Prozeßregelventil gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventildiagnosesystem des weiteren Eingabemittel beinhaltet, welche Eingabesignale an das Signalerzeugungsmittel liefern, womit das Signalerzeugungsmittel dazu gebracht wird, Steuersignale zu erzeugen, welche die Position definieren, zu der der Ventilstopfen (28) zu bewegen ist.

18. Prozeßregelventil gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilbetätiger (40) folgendes aufweist:

einen zweiseitig wirkenden Kolbenbetätiger mit einem Gehäuse (36), einem in dem Gehäuse (36) auf und abwärts bewegbaren und zum Bewegen des Ventilstopfens an den Ventilstopfen (28) gekoppelten Kolben (68);

obere Einlaßmittel (72), welche obere pneumatische Steuersignale empfangen, womit ein oberer Druck (Pu) entwickelt wird, welcher den Kolben (68) abwärts bewegt; und

ein unteres Einlaßmittel (76), welches untere pneumatische Steuersignale empfängt, wodurch ein unterer Druck (Pd) entwickelt wird, welcher den Kolben (68) aufwärts bewegt;

wobei der Ventilpositionierer (80) Mittel aufweist, welche auf Steuersignale ansprechen, um selektiv obere pneumatische Steuersignale an das obere Einlaßmittel (72) des Betätigers (40) zu liefern und untere pneumatische Steuersignale an das untere Einlaßmittel (76) zu liefern und dadurch die Position des Ventilstopfens (28) zu steuern; und

wobei das Pa Signal-Erzeugungsmittel-Mittel aufweist, welche die Größe des oberen Drucks angebende Signale Pu und die Größe des unteren Drucks angebende Signale Pd erzeugen.