WO2023180186A1 - Verfahren und vorrichtungen zur nullpunktkalibration eines drehmomentsensors eines drehventils - Google Patents

Verfahren und vorrichtungen zur nullpunktkalibration eines drehmomentsensors eines drehventils Download PDF

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WO2023180186A1
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valve member
valve
rotary valve
drive
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PCT/EP2023/056814
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David Wagner-Stürz
Stefan Kolbenschlag
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Samson Aktiengesellschaft
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    • F15B2211/6336—Electronic controllers using input signals representing a state of the output member, e.g. position, speed or acceleration

Definitions

  • the invention relates to methods and devices for zero point calibration of a torque sensor of a rotary valve.
  • a rotary valve has a rotatably mounted valve member. By turning the rotatably mounted valve member, the rotary valve can be closed or opened.
  • the rotatably mounted valve member is in many cases operated with an electric or pneumatic drive.
  • the rotatably mounted valve member can be designed as a flap or a pierced ball, with the rotary valve being referred to as a flap valve in the first case and as a ball valve in the second case.
  • Rotary valves are used, for example, in process engineering systems to control a process medium, including as safety valves. Their functionality should therefore be guaranteed at all times and should therefore be checked and/or tested as regularly as possible.
  • torque sensors are used, among other things, to determine a torque to be transmitted from a drive to a rotatably mounted valve member of the rotary valve.
  • torque sensors are located between the drive and the rotatably mounted valve member, for example on or near a coupling that connects the drive to the rotatably mounted valve member.
  • a torque sensor which is installed in a rotary valve, is used during the operation of the rotary valve or a process engineering system in which the rotary valve is used to control a Process medium is used, almost always under a load.
  • a load usually acts through static or sliding friction.
  • the inertia of the components to be moved or moved also represents a load.
  • the rotatably mounted valve member In the closed state, the rotatably mounted valve member is often pressed against a seal in order to ensure that the rotary valve closes tightly.
  • the drive When open, the drive often has to compensate for restoring forces, such as spring or weight forces, and to do this transmit a torque to the rotatably mounted valve member.
  • the process medium flowing past In positions between a fully open and closed state of the rotary valve, the process medium flowing past generally exerts a force on the rotatably mounted valve member and thus also on the torque sensor. Due to material settlement or a change in the environment (e.g. the temperature) or the process medium, the load on the rotatably mounted valve member or the torque sensor can decrease. However, even in these cases, complete freedom from load can hardly be achieved or at least not guaranteed.
  • torque sensors are also subject to drifting of their zero point, i.e. the zero point of a torque sensor is constantly changing.
  • the drift can, for example, be due to cyclical and/or constant load application and the associated wear, to temperature fluctuations or to changes in other environmental influences such as air humidity and/or to material settlement or aging.
  • the slope of the characteristic curve used for force measurement or the (spring) constant used for force measurement usually remains largely constant or unchanged.
  • the undesirable offset caused by the drift is added to the measurement result, so that not only is the measurement result falsified, but the measurement tolerances also worsen over time or the measurement errors become larger.
  • a measuring device for torque detection is described.
  • the measuring device is designed in such a way that a drive of a rotary valve can be connected to a rotatably mounted valve member of the rotary valve via a shaft and two square couplings on opposite sides of the shaft.
  • the shaft twists or is twisted when a torque is applied to the rotatably mounted valve member, which is connected to the drive using the measuring device.
  • the rotation or torsion of the shaft is recorded using rotation angle sensors and used as a measure of the transmitted torque.
  • the torque measuring device of DE 20 2019 107 203 U1 can also be understood as a torque measuring clutch.
  • the published patent application DE 10 2012 111 883 A1 describes further options for measuring a torque that is transmitted to a rotatably mounted valve member of a rotary valve. These include alternative designs of torque measuring couplings, where strain or torsion measuring strips are used. According to DE 10 2019 122 525 A1, arrangements made of pole rings and magnetoresistive sensors can also be used for this.
  • optical devices in which lasers are used or methods that determine torques based on the active power of a correspondingly designed drive are mentioned.
  • the published patent application DE 10 2017 124 293 A1 describes rotary valves with a coupling between a rotatably mounted valve member and a drive, the functionality of which can be checked using various sensors, including a torque sensor.
  • the document focuses on the functionality of the clutch, with damaged or worn out clutches being recognized based on a change in the clutch play.
  • the methods and devices presented represent a further development of the devices described in utility model DE 20 2004 020 347 U1, in which two devices are used to check functionality for this purpose trained rotation angle sensors are required, whereas the document DE 10 2017 124 293 A1 suggests the use of the sensor system of a rotary valve, which may already be present.
  • Partial stroke tests represent another option for checking or ensuring the functionality of a safety valve during ongoing operation of a system, ie without interrupting the work processes running on the system (see, for example, the published documents DE 197 23 650 A1 or WO 2009/ 013205 A1 or the patent DE 10 2018 103 324 B3).
  • the valve member is moved, but without significantly influencing or disrupting the system's work processes.
  • the method for calibrating a scale or a load cell proposed in the patent EP 3 372 963 B1 goes one step further and uses the offset measured for calibration or zero point adjustment or zero point adjustment to determine wear. Wear is recognized based on previous zero point adjustments, in particular based on the number and maximum value of the previous zero point adjustments. A zero point adjustment only takes place if it is within a specified tolerance band. Otherwise an error message will be issued.
  • the object of the invention is to provide methods and devices with which the calibration or calibration of a torque sensor of a rotary valve can be carried out during ongoing operation.
  • a method for zero-point calibration of a torque sensor of a rotary valve is proposed, the rotary valve having the following components:
  • the torque sensor is set up to measure the torque.
  • the method has the following steps: a) During a first time interval, the drive applies a first torque to the valve member in order to rotate the valve member in a first direction of rotation. b) During a second time interval, the drive applies a voltage to the valve member a second torque to rotate the valve member in the opposite direction to the first direction of rotation. c) During the transition from the first to the second time interval, the play of the clutch is completely or partially passed through. d) The torque is measured while the clutch is running through the play using the torque sensor. e) The torque that is measured while the clutch is running through the play is used for zero point calibration of the torque sensor.
  • the measurement of the current zero point during a zero point adjustment is preferably carried out taking into account any previous last zero point calibration, i.e. taking into account the current shift in the zero point.
  • Applying the first and second torque to the valve member ensures that the play in the clutch is completely or at least partially passed through. There is no load on the torque sensor when driving through the game completely or partially. The values measured when driving through the game can therefore be used for zero point adjustment or zero point adjustment or calibration of the torque sensor.
  • the first and the second period of time or the first and the second torque can be selected so that the valve member is not moved or virtually not moved.
  • the calibration or calibration of the torque sensor can therefore be carried out without interrupting or significantly disturbing the operation of the rotary valve or a system in which the rotary valve is used. This also makes it possible to calibrate the torque sensor more frequently and thus reduce the risk that wear and/or a possible impairment of the functionality of a rotary valve is not detected or at least not detected in a timely manner.
  • the risk of a false alarm or false reports which lead to the operation of the rotary valve or the process engineering system being unnecessarily interrupted for maintenance or elimination of the error, can also be reduced.
  • the torque sensor may measure the torque during the first and/or the second time interval and/or during the transition from the first to the second time interval.
  • the measurement can also be carried out continuously or at regular or irregular intervals, regardless of the first and/or second time interval. Measurements can also only be carried out specifically at the transition from the first to the second time interval, for example to save energy.
  • the method can be carried out if necessary and can be started, for example, by an operator of the rotary valve. It can also be repeated at regular intervals, such as daily, weekly or monthly. Regular execution can ensure or improve the reliability of the torque sensor.
  • a regular execution can be supplemented by executions of the method as required, for example if there is a need to precisely determine the torque and/or the currently measured value should be checked by a zero point adjustment calibration of the torque sensor and/or the rotary valve is for a critical Operating condition should be prepared, which requires the most precise monitoring possible.
  • the play in the coupling is necessary for assembly. On the other hand, this can prevent unwanted force shunts, which could possibly negatively influence the control of the rotatably mounted valve member or the torque measurement.
  • the play of the coupling is therefore preferably designed in such a way that force shunts can be avoided or even excluded.
  • the drive applies the first torque to the valve member during the first period of time to rotate the valve member in the first direction of rotation and the second torque during the second time interval to rotate the valve member in the opposite direction to the first direction of rotation.
  • the transition from the first to the second torque requires a certain amount of time.
  • the first and second periods of time can therefore follow one another directly, although this should be understood to mean that they are separated from one another at least by the period of time required for the transition from the first to the second torque.
  • the two time intervals can also be separated from each other by a longer period of time.
  • the application of the first (or second) torque during the first (or second) time interval is not only to be designed so that the drive only applies a specific torque to the valve member during the first (or second) time interval.
  • the application may include a plurality of different torques, with the first (or second) torque being only a part of the plurality of different torques. It can also be achieved by a constant change in the torque with which the drive applies to the valve member, with the first (or second) torque only being achieved for one or more points in time.
  • the proposed method can be carried out as part of a partial stroke test to check the functionality of the rotary valve.
  • the rotary valve can be equipped with means for carrying out a partial stroke test and the steps of applying the first and second torque to the valve member can be carried out as part of the partial stroke test.
  • the first and second torques are automatically designed so that the play of the clutch is completely covered, since a reversal of direction always takes place in a partial stroke test. Accordingly, only steps d) and e) of the proposed method are added to the partial stroke test.
  • the method can therefore be integrated into the already known routines for partial stroke tests by adding steps d) and e) and carried out together with them or can be viewed as an expansion stage of a partial stroke test.
  • the rotary valve can have a rotation angle sensor for measuring the rotation angle of the valve member and means for recording the measured values of the rotation angle sensor.
  • the method can thus be further developed and supplemented with the following steps: f) The angle of rotation of the valve member is measured and recorded during the transition from the first to the second time interval using the angle of rotation sensor. g) The passage of the clutch clearance is checked using the values of the angle of rotation of the valve member measured and recorded during the transition from the first to the second time interval. h) The zero point calibration of the torque sensor is carried out only if the passage of the clearance has been verified using the values of the angle of rotation of the valve member measured and recorded during the transition from the first to the second time interval.
  • a valve signature of the rotary valve can be recorded before the first time interval using the aforementioned rotation angle sensor and the aforementioned means for recording the measured values of the rotation angle sensor.
  • the clearance of the clutch can then also be checked using the valve signature.
  • the valve signature can be a rotation angle-torque signature. If other sensor data is available, a signature can also be formed with this data. The complete or partial passage of the clutch play can be determined, for example, through deviations from the signature. This measure can also improve the reliability and safety of the process.
  • the rotary valve can also be equipped with means for issuing an error message. The means for issuing the error message can be activated and an error message can be issued if, in the test described above, the clutch play was not verified but falsified. The completion of the game is considered not to have taken place, ie falsified, if the completion could not be verified. In this way, for example, wear, contamination or foreign particles and/or possible impairments in the functionality of the rotary valve can be detected.
  • a tolerance band can be specified and the method can be designed so that the torque that is measured while the clutch is running through the play is only used for zero point calibration of the torque sensor if it has a value that is within the specified Tolerance band lies. In this way, one-off outliers or measurement errors can be compensated for. In this way, unforeseen loads on the torque sensor cannot lead to incorrect calibration or resetting of the zero point of the torque sensor.
  • the rotary valve may further have means for recording at least one value of the torque. This allows the previously described tolerance band to be specified using a torque value recorded before the first time interval. For this purpose, several values are preferably recorded and used to specify the tolerance band. In this way, drifting of the zero point towards areas with a poorer measurement tolerance or larger measurement errors can be taken into account when specifying the tolerance band.
  • the rotary valve can have means for outputting a further error message and a further tolerance band can be specified. The means for outputting the further error message are then activated and the further error message is output if the torque that is measured while the clutch is running through the play is outside the further tolerance band.
  • the newly determined zero point lies within the tolerance band mentioned above, it is accepted as the new zero point. However, if it is outside - and not within - the second tolerance band that has now been introduced, the further error message is output.
  • the further tolerance band can include the same range of values as the previously described tolerance band. The decision as to whether the measured value is accepted or the further error message is output then only depends on whether the new zero point is within or outside the uniform tolerance band.
  • the further tolerance band is preferably somewhat broader in order to be able to take any measurement errors into account. Accordingly, the previously described tolerance band typically lies within the further tolerance band.
  • the measurement of the current zero point during a zero point adjustment is preferably carried out taking into account the last zero point calibration, i.e. the current shift in the zero point.
  • the measurement is preferably repeated first. If the result is reproduced, a third error message with this content is output.
  • the measurement can first be repeated - instead of outputting the second error message immediately. If the new zero point is outside the further tolerance band again, the second error message is output.
  • a positioner for regulating the position of a rotatably mounted valve member of a rotary valve, the rotary valve having the following components:
  • the torque sensor being set up to measure the torque.
  • the positioner is also equipped with means that are suitable for carrying out the steps of one of the proposed methods.
  • the means can represent a computing unit, control electronics and/or a microcontroller with appropriate programming.
  • the programming can be implemented, for example, within the framework of a fixed circuit arrangement of the computing unit, control electronics and/or the microcontroller or using field-programmable gate arrangements (FPGA).
  • FPGA field-programmable gate arrangements
  • the means can also consist of the positioner being connected to a control room which has the corresponding computing units or corresponding programming and transmits control signals back to the positioner.
  • the torque sensor being set up to measure the torque
  • the rotary valve can have a shaft to transmit the torque, the torque twisting the shaft and the torque sensor being set up to measure the torque based on the torsion of the shaft.
  • the torsion or rotation of the shaft due to a specific load application generally remains unchanged or at least almost unchanged even after a large number of load applications and/or long-lasting or constant load applications. It therefore represents a very reliable and long-lasting measure of the torque acting on the shaft.
  • the torque sensor can also have two rotation angle sensors, with at least one rotation angle sensor being arranged on the drive side and one on the valve member side, and so on be set up to measure the torsion of the shaft using the two rotation angle sensors.
  • One rotation angle sensor is arranged on the drive side and the other valve member side, i.e. close to the valve rod. With the help of these two angle of rotation sensors, the torsion or rotation of the shaft can be determined in a very direct manner, ie in particular with simple and reliable means.
  • the rotary valve 100 can therefore include 3 rotation angle sensors: two rotation angle sensors for measuring the torsion of the shaft and one rotation angle sensor for detecting the rotation angle of the rotatably mounted valve member or the valve rod. It can also have a fourth rotation angle sensor, which, for example, measures the rotation angle of the drive or a drive component.
  • the task is also solved by a computer program comprising commands that cause a positioner or a rotary valve or a system, as just described, to carry out one of the proposed methods.
  • a computer-readable medium on which the computer program just described is stored also solves the problem.
  • range information always includes all - not mentioned - intermediate values and all conceivable sub-intervals.
  • Fig. 1 shows a rotary valve with a torque measuring clutch
  • Fig. 2A is a view of the torque measuring clutch shown in Fig. 1;
  • FIG. 2B shows a cross section of the torque measuring clutch shown in FIG. 1;
  • Fig. 3A shows a time course of the angle of rotation of the drive shaft and the valve Pole
  • 3B shows the difference between the two time curves shown in FIG. 3A;
  • 3C shows a time course of a torque recorded parallel to the rotation angles shown in FIG. 3A;
  • Fig. 4 is a rotation angle-rotation angle diagram of the rotation angles shown in Fig. 3A;
  • Fig. 5 is a rotation angle-torque diagram of one of the two rotation angles shown in Fig. 3A and the torque shown in Fig. 3C;
  • 6A shows a time course of the angle of rotation of the drive shaft and the valve rod in a second exemplary embodiment with greater play
  • FIG. 6B shows the difference between the two time curves shown in FIG. 6A;
  • FIG. 6C shows a time course of a torque recorded parallel to the rotation angles shown in FIG. 6A;
  • Fig. 7 is a rotation angle-torque diagram of one of the two rotation angles shown in Fig. 6A and the torque shown in Fig. 6C;
  • FIG. 8A shows a time course of the angle of rotation of the drive shaft and the valve rod in a third exemplary embodiment with a smaller time delay in connection with the change in direction of the drive;
  • FIG. 8B shows the difference between the two time profiles shown in FIG. 8A;
  • FIG. 8C shows a time course of a torque recorded parallel to the rotation angles shown in FIG. 8A;
  • FIG. 9A shows a time course of the angle of rotation of the drive shaft and the valve rod in a third exemplary embodiment with different amplitudes
  • FIG. 9C shows a time course of a torque recorded parallel to the rotation angles shown in FIG. 9A.
  • Fig. 10 shows a flowchart of a method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a rotary valve 100.
  • the rotary valve 100 has a valve housing 110 with an opening 120 and a further opening 130.
  • the openings 120 and 130 serve as an inlet or outlet for a process fluid, depending on the direction in which the rotary valve 100 is flowed through by the process fluid.
  • To control the process fluid or the flow of the process fluid through the rotary valve 100 there is a rotatably mounted valve member and a flow opening in the valve housing 110.
  • the rotatably mounted valve member can be rotated about a rotation axis 135 by up to 90°. With the rotatably mounted valve member, the flow opening in the valve housing 110 can be closed or opened by rotating the valve member about the axis of rotation 135 and in this way the flow Flow of the process fluid through the flow opening or the rotary valve 100 can be controlled.
  • the rotatably mounted valve member is designed as a flap with a sealing lip, the sealing lip sealing the gap between the flap and the valve housing 110.
  • the rotary valve 100 thus represents a flap valve.
  • the shape or design of the rotatably mounted valve member is not crucial for the proposed method. For example, it could also be designed as a pierced ball, so that the rotary valve 100 would be a ball valve.
  • the rotary valve 100 has a pneumatic drive 140.
  • the pneumatic drive 140 generates a torque to rotate the rotatably mounted valve member.
  • the torque generated by the drive 140 is first transmitted to a clutch shaft 160 via a torque measuring clutch 150.
  • the coupling shaft 160 is connected to a valve rod, which in turn is rigidly connected to the rotatably mounted valve member.
  • the valve rod and the rotatably mounted valve member are located in the valve housing 110.
  • the coupling shaft 160 thus passes on the torque transmitted to it to the valve rod or to the rotatably mounted valve member in the valve housing 110.
  • the valve rod can also be connected directly to the torque measuring coupling, for which it can be correspondingly extended, for example.
  • the torque measuring coupling 150 sits on a yoke 170.
  • the yoke 170 absorbs the weight of the torque measuring coupling 150 and the pneumatic drive 140 and thus relieves the load on the coupling shaft 160 or the valve rod and the rotatably mounted valve member.
  • the torque measuring clutch 150 is further connected to a solenoid valve 180.
  • the solenoid valve 180 controls the pneumatic drive 140 to regulate the position or the angle of rotation of the rotatably mounted valve member in the valve housing 110.
  • This type of connection is not mandatory.
  • the solenoid valve can also receive its control signal from control electronics that is integrated in another device, such as a positioner.
  • the torque measuring clutch can also be linked to the control electronics mentioned and forward its sensor signals to the control electronics in the other device, so that all signals that are necessary to carry out the zero point calibration method meet in one place. In both cases, the method can also be integrated into a “partial-stroke” routine or a partial stroke test.
  • the torque measuring clutch 150 has means 190 for outputting an error message.
  • the means 190 for outputting an error message can, for example a control room for controlling the rotary valve 100, or with a device with which an operator can control the rotary valve 100. In this way, the operator can be informed of error messages about any malfunctions of the rotary valve 100.
  • the means 190 can be assigned to the control electronics in the other device and/or be part of a control room with which the rotary valve 100 is controlled or monitored.
  • FIG. 2A shows the torque measuring clutch 150 in a view seen from the pneumatic drive 140.
  • the torque measuring coupling 150 comprises a housing 200.
  • a square 210 protrudes from the housing 200 for connection to the pneumatic drive 140.
  • the pneumatic drive 140 has a drive shaft with a corresponding connection or counterpart into which the square 210 can engage.
  • the pneumatic drive 140 and the torque measuring coupling 150 can thus be connected to one another via a square coupling.
  • the torque generated by the drive 140 for rotating the valve member can be transmitted to the torque measuring coupling 150 via the square coupling.
  • the clutch shaft 160 is also connected to the torque measuring clutch 150 via such a square clutch.
  • the drive shaft of the drive 140 is connected to the valve rod or the rotatably mounted valve member via three couplings, the two previously mentioned square couplings and the coupling between the coupling shaft and the valve rod.
  • the play in the couplings not only enables assembly, but is also chosen in such a way that force shunts are avoided, which could potentially have a negative effect on the measurement of the torque.
  • the play of the drive-side clutch is 1°, ie 2TT/360 rad, with respect to the axis of rotation 135.
  • the pneumatic drive 140 can thus perform a rotational movement of the drive shaft of 1° about the axis of rotation 135 when the play of the drive-side clutch passes through carry out without any torque being transmitted or exerted on the torque measuring clutch 150.
  • the play of the other two clutches plays no role in the following.
  • the play of the drive-side clutch or the other two clutches can also have other values. It can be in a range of 0.01° to 10°, 0.02° to 5°, 0.05° to 2°, 0.1° to 1° or 0.2° to 0.5°, respectively.
  • the housing 200 also has two electrical connections 220 and 230.
  • the electrical connection 220 supplies the torque measuring clutch 150 with energy.
  • the torque measuring clutch 150 can be connected to the solenoid valve 180 using the electrical connection 230.
  • Fig. 2B shows a cross section of the torque measuring clutch 150 along the section plane AA marked in Fig. 2A.
  • the view reveals the inner workings of the torque measuring coupling 150, in particular a torque measuring shaft 240, a drive-side torque sensor 250 and a valve member-side rotation angle sensor 260. It also shows a valve member-side connection 270 (in this exemplary embodiment, an internal square) for receiving and connecting the torque measuring coupling 150 to the coupling shaft 160.
  • the valve member-side connection 270, the torque measuring shaft 240 and the square 210 are made in one piece.
  • the torque measuring shaft 240 has a tapered part 280 in the middle. If a torque acts on the torque measuring shaft 240, the tapered part 280 of the torque measuring shaft 240 is twisted or twisted.
  • the drive-side torque sensor 250 includes a pole ring 251, which is attached to the side of the tapered part 280 of the torque measuring shaft 240 facing the pneumatic drive 140.
  • the torque sensor 250 includes a magnetic field sensor 252 attached to a sleeve 265.
  • the sleeve 265 is connected to the valve member-side connection 270 in a torsionally rigid manner.
  • the torsion of the torque measuring shaft 240 results in a relative rotation of the pole ring 251 relative to the magnetic field sensor 252. This rotation is registered by the magnetic field sensor 252 via a corresponding change in the magnetic field that is exerted by the pole ring 252 on the magnetic field sensor. In this way, the rotation of the torque measuring shaft 240 can be measured and used as a measure for determining the torque that acts on the torque measuring shaft 240.
  • the torsion or rotation of the torque measuring shaft 240 can be in the range from 0.01° to 10°, 0.02° to 5°, 0.05° to 2°, 0.1° to 1° or 0.2° to 0 .5°.
  • the valve member-side rotation angle sensor 260 is attached to the valve member-side connection 270, which lies on the side of the tapered part 280 facing the valve member. With the rotation angle sensor 260, the position of the valve member-side connection can be determined. Final 270 to be determined. The position of the valve member-side connection 270 corresponds to the position of the rotatably mounted valve member modulo the play of the square coupling between the torque measuring shaft 240 and the coupling shaft 160 and modulo the play of the coupling between the coupling shaft 160 and the valve rod. This difference plays no role in the following.
  • the angle of rotation or the rotational position of the valve member-side connection 270 which is measured with the rotation angle sensor 260, is equated below with the angle of rotation or the rotational position of the coupling shaft 160 or the valve rod or the rotatably mounted valve member.
  • the measuring range of the rotation angle sensor 260 therefore covers at least 90°.
  • the torque measuring clutch 150 also has a circuit board 290 with a microcontroller and a memory, with which the evaluation of the torque and the measuring angle is realized.
  • the microcontroller of the circuit board 290 is connected to both the drive-side torque sensor 250, in particular the magnetic field sensor 252, and the valve member-side rotation angle sensor 260. It can also be connected to the solenoid valve 180 of the rotary valve 100 using the electrical connection 230. The microcontroller on the board 290 controls the solenoid valve 180 via this connection.
  • connection to the circuit board 290 is therefore preferably carried out via rolling ribbon cables or slip rings. Radio and inductive transmission paths are also conceivable.
  • the microcontroller also has a memory. Information for controlling the solenoid valve 180 is stored in the memory. In particular, a time course for the position of the drive shaft can be specified in the memory.
  • 3A shows a time profile 300 of the angle of rotation of the drive shaft, which was stored in the memory of the microcontroller.
  • the time course 300 therefore does not show measured actual values, but rather specified target values. However, this is of minor importance for the case under consideration. Therefore, the specified target value for the position of the drive shaft can be equated with the actual value for the actual position of the drive shaft.
  • 3B also shows the difference 320 between the rotation angles 300 and 310 over the period under consideration.
  • 3C finally shows the time course 330 of the torque that is exerted by the pneumatic drive 140 on the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member (the torque is given in Nm).
  • the time course 330 was recorded using the torque sensor 250 in parallel to the time course 310.
  • the microcontroller of the circuit board 290 controls the solenoid valve 180 of the pneumatic drive 140 so that the drive shaft moves back and forth between the rotation angles of 1° and 10°, at a constant rotational speed of approx. 2.3 7s at the beginning and approx. 3 7s later, with breaks of approx. 1 s before each change of direction.
  • the comparison of the time course 300 with the time course 310 shows that the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member follows the rotational movement of the drive shaft, with a delay of approximately 1° for rotational movements towards larger angles of rotation and almost without delay for rotational movements towards smaller rotation angle values.
  • This behavior is also reflected in the difference 320 of the time curves 300 and 310, i.e. the difference in the angle of rotation of the drive shaft and the coupling shaft 160 or of the rotatably mounted valve member. It reflects the play of the drive-side clutch as well as the definition of the zero positions of the rotation angles.
  • the entire play of the drive-side coupling can add up to the angle of rotation of the drive shaft.
  • the angles of rotation are therefore calibrated or the zero positions are defined in such a way that when moving towards smaller angles of rotation, the drive and coupling shaft 160 can have the same angle of rotation.
  • the time course 330 of the torque is primarily characterized by sliding friction effects. If the drive shaft moves the rotatably mounted valve member to larger angles of rotation, the torque has a value of (in this example) +20 Nm. In the opposite direction, the torque changes sign and is (in this example) -20 Nm. The value 20 Nm can be attributed to the sliding friction of the flap in the valve housing 110.
  • the sliding friction essentially arises because the sealing lip of the flap is pressed against the valve housing 110 and pulled along the valve housing 110 in such a way that the sealing lip exerts a restoring force on the flap. The sliding friction is therefore caused by the deformation of the sealing lip. It remains in effect even if the drive and clutch shaft 160 is in a resting position for approx.
  • the drive shaft passes through the play of the drive-side clutch.
  • the passage of the game can also be verified by changing the difference between these rotation angles.
  • the torque disappears accordingly or falls to a value close to 0.
  • Torque only builds up again after approx. 0.3 s when the drive shaft has gone through the play and the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member moves in the other direction .
  • the time course 330 of the torque therefore has a horizontal branch close to the value 0. It also has a zero crossing or a change in sign. This zero crossing or change of sign follows the change in direction of rotation of the drive shaft.
  • the horizontal branch, the zero crossing or sign change can also be used to detect the passage of play in the drive-side clutch, or to detect the period at which the torque value can be measured for zero point calibration.
  • the torque is measured during the period of approximately 0.3 s in which the drive shaft passes through the play of the drive-side clutch and the torque disappears or assumes a value close to 0.
  • the new zero point can, for example, be determined as an average over the determined period.
  • the zero point can just as easily result from the value in the middle of the period; or as an average over a subinterval within the identified period.
  • the measured value is in a tolerance band of -0.1 Nm to +0.1 Nm, the value is used for zero point calibration of the torque measuring clutch 150. If the value is outside the previously mentioned tolerance band, the value is rejected.
  • the torque increases briefly during rotational movements towards larger angles of rotation (see, for example, the peak at approx. 1.4 s or 10.3 s) or drops briefly during rotational movements towards smaller angles of rotation (cf. the peaks at approx. 6.3 and 14.3 s).
  • the torque increases briefly to 25 Nm or drops to -25 Nm.
  • These peaks in the time profile 330 are due to the sealing lip folding over. Folding requires an additional torque of approx. 5 Nm.
  • the additional torque can also be viewed as static friction. In other embodiments, such static friction can also be attributed to other causes, for example adhesions on the sealing lip or valve member.
  • the static friction must generally be used to break the valve member loose from a position in which the valve member has been for a longer period of time.
  • curve 400 represents the angle of rotation of the rotatably mounted valve member or the coupling shaft 160 as a function of the angle of rotation of the drive shaft.
  • the lower branch belongs to rotational movements towards larger angles of rotation, the upper branch to rotational movements towards smaller angles of rotation.
  • the course 400 is therefore run through when the drive shaft is moved back and forth between 1° and 10° counterclockwise. The difference between the two branches is given by the play in the drive-side coupling and is therefore 1°.
  • the resetting of the valve member by the restoring forces of the sealing lip results in the horizontal parts of the course 400 not being 1° or 9°, but rather 1.1° or 8.9°.
  • the drive shaft passes through the clutch play or the drive rod does not exert any torque on it Coupling shaft 160 or the torque measuring clutch 150. This period or these moments can be used to calibrate the torque measuring clutch 150.
  • the calibration can be verified using the angle of rotation values of the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member of 1.1° or 8.9° when passing through the horizontal portion of the curve 400 corresponding to the smaller or larger of these values. This type of verification is not limited to the rotary valve 100, but is basically available for any rotary valve in which the rotatably mounted valve member resets slightly after it has been rotated in one direction and no more torque is exerted on the valve member.
  • the course 500 is therefore run through when the drive shaft is moved back and forth between 1° and 10° clockwise.
  • the play in the drive-side clutch is expressed in the length of the horizontal parts of the curve 500, which lie around or close to the horizontal 0 line, which represents a vanishing torque.
  • the horizontal sections span - the play of approx. 1° - speaking - approx. 1°. 5 also shows a tolerance band 510 and a further tolerance band 520.
  • the tolerance band 510 lies within the broader tolerance band 520.
  • the length of one or both horizontal sections of the course 500 that are close to the 0 line can be used to verify the passage of the game.
  • values that the torque assumes when passing through the horizontal sections can be used to calibrate the torque measuring clutch 150. However, they can also be compared with each other in order to verify the calibration or to improve its accuracy and reliability.
  • the zero point calibration can, for example, be carried out with the torque values of one of the horizontal branches of the curve 500, preferably by forming an average value over the values that lie in the middle third of one of the horizontal branches. Among other things, it is checked whether the mean value is within the tolerance band 510. If the mean value is within the tolerance band 510, the zero point calibration is carried out with the mean value. If the mean value is outside the tolerance band 510, the zero point calibration is not carried out, but a further step checks whether the mean value is within or outside the tolerance band 520. If the mean value lies outside the tolerance band 520, a malfunction or malfunction of the rotary valve 100 or one of its components cannot be ruled out.
  • the means 190 for outputting an error message is used to output a corresponding error message, for example to a control room or device with which an operator can control the rotary valve 100. If the mean value is outside the tolerance band 510 but within the tolerance band 520, the zero point calibration procedure is repeated. In this way, one-time statistical outliers can be prevented from leading to an error message and unnecessary maintenance effort.
  • the zero calibration procedure just described is not limited to a zero calibration with the average value described above, but can generally be carried out for any torque value that is being considered for a zero calibration. This applies in particular to the values that were already mentioned in the description of Figures 3A to 4 and will also be mentioned below.
  • FIG. 6A shows - similar to the time profile 300 - a time profile 600 of the angle of rotation of the drive shaft and a time profile 610 (dashed line) of the angle of rotation of the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member for a further embodiment of the rotary valve 100, which is almost identical with the previously described embodiment.
  • the further embodiment of the rotary valve 100 differs only lent by the amount of play in the drive-side clutch. It is not 1°, but 2°.
  • 6B also shows the difference 620 between the time profiles 600 and 610.
  • FIG. 6 C shows the time course 630 of the torque that is exerted by the pneumatic drive 140 on the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member.
  • the time courses 600 to 630 are very similar to the time courses 300 to 330.
  • the time course 600 is identical to the time course 300, i.e. the drive shaft is moved in the same way as to record the courses shown in FIGS. 3A to 30.
  • the comparison of the curves 300 to 330 and 600 to 630 shows what influence the extended clutch play has.
  • the extended clutch play is expressed in particular by the fact that the clutch shaft 160 or the rotatably mounted valve member follows the drive shaft not with a delay of 1°, but with a delay of approximately 2°.
  • the period in which the calibration or the calibration of the torque measuring clutch 150 can be carried out is also extended.
  • the drive shaft goes through the play of the drive-side clutch, for example, in the period of approx. 6 to 6.7 s.
  • the torque disappears accordingly or falls to a value close to 0.
  • Torque only builds up again after approx. 0.7 s when the drive shaft has lost the play 2 ° has passed through and the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member moves in the other direction.
  • the torque is measured and used for zero-point calibration of the torque measuring clutch 150 of the further embodiment of the rotary valve 100 .
  • the course 700 is therefore traversed clockwise when the drive shaft moves back and forth between 1° and 10°.
  • the extended play of the drive-side clutch manifests itself in longer horizontal parts of the course 700 ⁇ m or close to the horizontal 0 line, which represents a disappearing Torque stands.
  • the horizontal sections span approximately 2°, which corresponds exactly to the extended coupling play of approximately 2° and - as before (see Fig. 5 and the associated description of the figures) - also to verify the calibration or to improve the accuracy and reliability of the same can be used.
  • Fig. 8A shows the time course 800 of the angle of rotation of the drive shaft and the time course 810 (dashed line) of the angle of rotation of the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member, the embodiment of the rotary valve 100 being used to record the courses 800 and 810, with which the curves 300 to 330 were recorded.
  • Fig. 80 shows the time profile 830 of the torque that is exerted by the drive 140 on the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member.
  • the courses 800, 810, 820 and 830 are very similar to the courses 300, 310, 320 and 330.
  • the comparison of the time courses 300 and 800 shows that only the pauses of approx. 1 s were omitted during the direction changes and also the second and all further rotational movements were carried out with approx. 2.3 7s.
  • the comparison also shows that the pauses or the changed rotational speed are not of crucial importance for the zero point calibration of the torque measuring clutch 150.
  • the measurement of the torque value, which is used for zero point calibration of the torque measuring clutch 150 can - almost as before (cf. FIGS.
  • 3A to 30 and the associated description of the figures) - continue to be carried out in a time window of approximately 0.4 s, which corresponds to a change follows the direction of rotation, such as when changing the direction of rotation at times of 5, 9 or 13 s.
  • the slightly longer period of 0.4 s can be attributed to the lower rotation speed of 2.3 7s (at a rotation speed of 3 7s as in When recording the time courses 300 to 330, the time span was 0.3 s).
  • the rotatably mounted valve member or the valve rod or the coupling shaft 160 directly changes the torque that is exerted on the rotatably mounted valve member or the valve rod or the coupling shaft 160 follows and the inertia of the components is not or not particularly significant at the speeds under consideration.
  • the rotary movement of the valve member can For example, it can be checked with the rotation angle sensor in the valve housing. In this way, for example, you can ensure that the game does not run too quickly.
  • FIG. 9A shows the time course 900 of the rotation angle of the drive shaft and the time course 910 (dashed line) of the rotation angle of the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member, the embodiment of the rotary valve 100 being used to record the courses 900 and 910 which the curves 300 to 330 or 800 to 830 were recorded.
  • 9B also shows the time course 920 of the difference between the time courses 900 and 910.
  • 9C finally shows the time course 930 of the torque that is exerted by the drive 140 on the coupling shaft 160 or the rotatably mounted valve member.
  • the comparison of the time courses 300, 800 and 900 shows that this time not only were the pauses of approx. 1 s omitted during the respective changes of direction, but the amplitude of the rotational movements was also changed.
  • the drive shaft is first rotated from 1° to 20° at a speed of approximately 6.3 7s, then at a speed of approximately 3.3 7s back to 10° and then at a speed of approx. 6.3 7s to 60° and then again at a speed of approx. 8 7s in the opposite direction.
  • the different amplitudes therefore primarily lead to varying rotational speeds.
  • the time period available for measuring the torque value used for zero point calibration is only approx. 0.3 s after the change of direction at 4 s, approx. 0.2 s after the change of direction at 7 s and approx 0.1 s after the change of direction at approx. 13 s.
  • the course 930 also shows that the differences in the rotational speeds under consideration have almost no influence on the values of the torques that must be overcome or applied to move the rotatably mounted valve member or the valve rod or the coupling shaft 160.
  • FIG. 10 shows a flowchart of a preferred embodiment of a method 1000 according to the invention for calibrating the torque measuring clutch 150 of the rotary valve 100.
  • step 1010 in which the process parameters are specified.
  • a first torque and a first time interval are specified in which the pneumatic drive 140 moves the rotatably mounted valve member Rotary valve 100 is subjected to the first torque to rotate the valve member in a first direction.
  • a second torque is specified and a second time interval in which the pneumatic drive 140 applies the second torque to the rotatably mounted valve member of the rotary valve 100 in order to rotate the valve member in the opposite direction to the first direction.
  • step 1020 the rotatably mounted valve member of the rotary valve 100 is subjected to the first torque during the first time interval using the pneumatic drive 140.
  • step 1030 the application of the first torque to the rotatably mounted valve member is ended.
  • step 1040 the second torque is applied to the rotatably mounted valve member using the pneumatic drive 140, whereby the play of the drive-side clutch is passed through.
  • the torque is measured as the play of the drive-side clutch passes through.
  • the passage of play can be checked using the rotation angle sensors for the drive shaft and the valve rod.
  • step 1050 the application of the second torque to the rotatably mounted valve member continues during the second time interval.
  • the torque value measured in step 1040 is used in step 1060 to calibrate the torque measuring clutch 150.
  • a rotary valve is a control valve with a rotatably mounted valve member.
  • the rotatably mounted valve member can be designed as a flap or a pierced ball, with the rotary valve being referred to as a flap valve in the first case and as a ball valve in the second case.
  • a coupling represents a connection between two shafts, e.g. the connection of a drive rod and a valve rod of a valve member of a rotary valve.
  • the connection allows rotation and thus torque to be transmitted between the two shafts.
  • a clearance is a manufacturing and application-related freedom of movement in which a mechanical component can be freely moved against another component during or after assembly.
  • a game not only enables the assembly or connection of mechanical components, but can also be used to ensure, for example, load-free conditions without force shunts.
  • both radial and axial play When connecting two shafts that rotate around a common axis of rotation, both radial and axial play usually occurs.
  • a radial play represents a clearance in the radial direction with respect to the axis of rotation.
  • An axial play represents a tilting with respect to the axis of rotation.
  • such a connection usually has a rotational play, i.e. the shafts can be rotated relative to one another about the axis of rotation by their rotational play , without any force being transferred from one shaft to the other. In the context of this application, only couplings or connections between two shafts whose play has rotational play are considered.
  • a valve member is an element of a valve that can be used to close the valve.
  • the valve member includes a valve rod and a flap that is rigidly connected to the valve rod. By turning the valve rod, the flap can be pressed against a flow opening of the flap valve to increase the flow opening. to close the voltage.
  • the valve member also includes a valve rod, which, however, is connected to a pierced ball in such a way that the pierced ball can be rotated with the valve rod.
  • the through hole in the ball is arranged in such a way that it is tightly closed by a housing of the valve in a closed position and forms the flow opening of the valve in an open position.
  • a valve signature represents a bundle of stroke-pressure curves in a stroke-pressure diagram. Stroke-pressure curves are functions with which a stroke or a rotational position (e.g. of a valve member) is assigned a pressure (e.g. of a pneumatic drive of a control valve ) can be assigned.
  • a valve signature is defined using a vent curve and a vent curve. The lift-pressure curves of a valve signature lie within the band limited by the ventilation curve. These do not collapse due to friction and form a hysteresis.
  • the definition of a valve signature can be supplemented by specifying an average curve. -
  • Load cells are a special form of force transducers (force sensors) for setting up weighing devices, ie for weighing with scales. They are calibrated in grams (g), kilograms (kg) or tons (t), not newtons (N) like force transducers. Like force transducers, load cells usually contain a spring body, ie a suitably shaped piece of metal whose geometry changes slightly under the influence of the weight. This elastic deformation is recorded by strain gauges or other suitable transducers (magnetic, optical, capacitive) and converted into an electrical signal.

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Abstract

Drehmomentsensoren (150) werden in Drehventilen (100) zum Erkennen von Verschleiß und Fehlfunktionen eingesetzt. Hierzu messen sie das Drehmoment, das ein Antrieb (140) mithil- fe einer Kupplung auf ein drehbar gelagertes Ventilglied des Drehventils (100) ausübt. Drehmomentsensoren (150) unterliegen einer Drift ihres Nullpunkts. Zum Ausgleich der Drift müssen Drehmomentsensoren (150) in einen lastfreien Zustand versetzt und der Nullpunkt des Drehmomentsensors (150) neu bestimmt werden. Drehmomentsensoren (150) stehen im laufenden Betrieb eines Drehventils (100) jedoch in der Regel unter einer Last. Im Rah- men des vorgeschlagenen Verfahrens wird ein lastfreier Zustand im laufenden Betrieb er- reicht und zur Nullpunktkalibrierung des Drehmomentsensors (150) genutzt, indem das Drehventil (100) so gesteuert wird, dass das Spiel der Kupplung durchlaufen wird. Auf diese Weise kann die Kalibrierung des Drehmomentsensors (150) nach Bedarf durchgeführt bzw. die Drift des Drehmomentsensors (150) ausgeglichen werden. Verschleiß bzw. Fehlfunktio- nen können somit sicher und zuverlässig erkannt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils.
Ein Drehventil weist ein drehbar gelagertes Ventilglied auf. Durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds kann das Drehventil geschlossen oder geöffnet werden. Das drehbar gelagerte Ventilglied wird hierzu in vielen Fällen mit einem elektrischen oder pneumatischen Antrieb betätigt. Das drehbar gelagerte Ventilglied kann als Klappe oder durchbohrte Kugel ausgebildet sein, wobei man das Drehventil im ersten Fall als Klappenventil und im zweiten Fall als Kugelhahn bezeichnet.
Drehventile werden bspw. in prozesstechnischen Anlagen zur Kontrolle eines Prozessmediums eingesetzt, u.a. auch als Sicherheitsventile. Ihre Funktionsfähigkeit sollte deshalb zu jedem Zeitpunkt gewährleistet und dementsprechend möglichst regelmäßig überprüft und/oder getestet werden.
Um Verschleiß und mögliche Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit eines Drehventils zu erkennen und damit die Funktionsfähigkeit des Drehventils sicherzustellen, werden u.a. Drehmomentsensoren zum Ermitteln eines von einem Antrieb auf ein drehbar gelagertes Ventilglied des Drehventils zu übertragenden Drehmoments eingesetzt. Derartige Drehmomentsensoren befinden sich in vielen Fällen zwischen dem Antrieb und dem drehbar gelagerten Ventilglied, bspw. an oder in der Nähe einer Kupplung, die den Antrieb mit dem drehbar gelagerten Ventilglied verbindet.
Ein Drehmomentsensor, der in einem Drehventil verbaut ist, steht beim Betrieb des Drehventils bzw. einer prozesstechnischen Anlage, in dem das Drehventil zur Kontrolle eines Prozessmediums eingesetzt wird, fast immer unter einer Last. Wird z.B. das drehbar gelagerte Ventilglied bewegt, wirkt in der Regel eine Last durch Haft- bzw. Gleitreibung. Auch die Trägheit der zu bewegenden bzw. bewegten Baugruppen stellt dabei eine Last dar. Im geschlossenen Zustand wird das drehbar gelagerte Ventilglied häufig gegen eine Dichtung gepresst, um ein Dichtschließen des Drehventils zu gewährleisten. Im geöffneten Zustand muss der Antrieb häufig rückstellende Kräfte, wie z.B. Feder- oder Gewichtskräfte, ausgleichen und dazu ein Drehmoment auf das drehbar gelagerte Ventilglied übertragen. In Stellungen zwischen einem vollständig geöffneten und geschlossenen Zustand des Drehventils, übt zudem das vorbeiströmende Prozessmedium in der Regel eine Kraft auf das drehbar gelagerte Ventilglied und damit auch den Drehmomentsensor aus. Aufgrund von (Materialsetzungen oder einer Veränderung der Umgebung (bspw. der Temperatur) oder des Prozessmediums kann die Last auf das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. den Drehmomentsensor zwar abnehmen. Allerdings kann auch in diesen Fällen eine vollständige Lastfreiheit kaum erreicht oder zumindest nicht gewährleistet werden.
Wie bei Kraftsensoren bzw. Wägezellen üblich, unterliegen auch Drehmomentsensoren einem Driften ihres Nullpunkts, d.h. der Nullpunkt eines Drehmomentsensors verändert sich stetig. Die Drift kann bspw. auf eine zyklische und/oder stetige Lastbeaufschlagung und damit einhergehenden Verschleiß, auf Temperaturschwankungen oder auf die Veränderung anderer Umgebungseinflüsse wie z.B. der Luftfeuchtigkeit und/oder auf Materialsetzungen bzw. Alterung zurückzuführen sein. Die Steigung der für die Kraftmessung genutzten Kennlinie bzw. die für die Kraftmessung genutzte (Feder-)konstante bleibt dabei meist weitestgehend konstant bzw. unverändert. Der durch die Drift entstehende unerwünschte Offset addiert sich jedoch auf das Messergebnis, so dass nicht nur das Messergebnis verfälscht wird, sondern sich auch die Messtoleranzen mit der Zeit verschlechtern bzw. die Messfehler größer werden.
Abhilfe kann geschaffen werden, wenn der Nullpunkt bzw. der O-Wert des Drehmomentsensors von Zeit zu Zeit neu kalibriert bzw. bestimmt wird und der zusätzliche Offset in der Elektronik des Drehmomentsensors zur Kompensation als neuer Wert hinterlegt wird. Da kein lastfreier Zustand zur Nullpunkt-Kalibration im laufenden Betrieb eindeutig festgestellt bzw. gewährleistet werden kann, muss für eine Kalibrierung ein lastfreier Zustand hergestellt bzw. herbeigeführt werden, was in der Regel nur im Stillstand (kein Betrieb) möglich ist. Der zeitliche Abstand zwischen Stillständen der Anlage kann ein größeres Zeitintervall von typischerweise 3 bis 5 Jahren sein, so dass ein Driften des Drehmomentsensors erst nach einem langen Zeitintervall erkannt und korrigiert werden kann. Somit besteht das Risiko, dass Verschleiß und/oder eine mögliche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit eines Drehventils nicht oder zumindest nicht rechtzeitig erkannt werden. Des Weiteren besteht die Gefahr ei- nes Fehlalarms oder von Falschmeldungen, die dazu führen, dass der Betrieb des Drehventils bzw. der prozesstechnischen Anlage zur Wartung bzw. Behebung des Fehlers unnötigerweise unterbrochen wird.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind verschiedene Drehmomentsensoren für Drehventile offenbart.
In der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2019 107 203 U1 wird bspw. eine Messeinrichtung zur Drehmomenterfassung beschrieben. Die Messeinrichtung ist so ausgestaltet, dass mit ihr ein Antrieb eines Drehventils mit einem drehbar gelagerten Ventilglied des Drehventils über eine Welle und zwei Vierkantkupplungen an gegenüberliegenden Seiten der Welle verbunden werden kann. Dabei verdreht sich die Welle bzw. wird tordiert, wenn das mithilfe der Messeinrichtung mit dem Antrieb verbundene drehbar gelagerte Ventilglied mit einem Drehmoment beaufschlagt wird. Die Verdrehung oder Torsion der Welle wird dabei mithilfe von Drehwinkelsensoren erfasst und als Maß für das übertragene Drehmoment genutzt. Die Drehmomentmesseinrichtung der DE 20 2019 107 203 U1 kann auch als Drehmomentmesskupplung aufgefasst werden.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2012 111 883 A1 beschreibt weitere Möglichkeiten zur Messung eines Drehmoments, das auf ein drehbar gelagertes Ventilglied eines Drehventils übertragen wird. Dazu gehören alternative Ausgestaltungen von Drehmomentmesskupplungen, wobei Dehnungs- oder Torsionsmessstreifen eingesetzt werden. Gemäß der DE 10 2019 122 525 A1 können hierfür auch Anordnungen aus Polringen und magnetoresistiven Sensoren eingesetzt werden.
Des Weiteren werden optische Vorrichtungen, bei denen Laser eingesetzt werden, o- der Verfahren, die Drehmomente anhand der Wirkleistung eines entsprechend ausgestalteten Antriebs bestimmen, genannt.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2017 124 293 A1 beschreibt Drehventile mit einer Kupplung zwischen einem drehbar gelagerten Ventilglied und einem Antrieb, deren Funktionsfähigkeit mithilfe verschiedener Sensoren, u.a. mithilfe eines Drehmomentsensors, überprüft werden kann. Die Schrift stellt dabei auf die Funktionsfähigkeit der Kupplung ab, wobei schadhafte bzw. ausgeschlagene Kupplungen anhand einer Veränderung des Kupplungsspiels erkannt werden. Die vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen stellen eine Weiterentwicklung der in der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2004 020 347 U1 beschriebenen Vorrichtungen dar, bei denen zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit zwei für diesen Zweck ausgebildete Drehwinkelsensoren benötigt werden, wohingegen die Schrift DE 10 2017 124 293 A1 die Verwendung der ggf. ohnehin vorhandenen Sensorik eines Drehventils vorschlägt. Das in der DE 10 2017 124 293 A1 beschriebene Verfahren kann u.a. im Rahmen eines Teilhubtests ausgeführt werden. Teilhubtests stellen eine weitere Möglichkeit dar, um im laufenden Betrieb einer Anlage, d.h. ohne eine Unterbrechung der Arbeitsprozesse, die auf der Anlage ablaufen, die Funktionsfähigkeit eines Sicherheitsventils zu überprüfen bzw. sicherzustellen (siehe z.B. die Offenlegungsschriften DE 197 23 650 A1 oder WO 2009/013205 A1 oder die Patentschrift DE 10 2018 103 324 B3). Das Ventilglied wird dabei bewegt, aber ohne die Arbeitsprozesse der Anlage maßgeblich zu beeinflussen oder zu stören.
Zur Kalibrierung eines Drehmomentsensors eines Drehventils eignen sich grundsätzlich alle Verfahren, die auch für andere Kraftsensoren bzw. Wägezellen verwendet werden. Zum Beispiel kann das in der Offenlegungsschrift DE 10 2020 105 759 A1 beschriebene Verfahren verwendet werden. Dabei wird ein lastfreier Zustand durch ein optisches Signal an einen Bediener oder eine mechanische Blockade der Vorrichtung sichergestellt.
Das in der Patentschrift EP 3 372 963 B1 vorgeschlagene Verfahren zur Kalibrierung einer Waage bzw. einer Wägezelle geht einen Schritt weiter und nutzt den zur Kalibrierung bzw. Nullpunktanpassung bzw. zum Nullpunktabgleich gemessenen Offset zum Ermitteln von Verschleiß. Verschleiß wird dabei anhand vorheriger Nullpunktanpassungen erkannt, insbesondere anhand der Anzahl und des Maximalwerts der vorhergehenden Nullpunktanpassungen. Eine Nullpunktanpassung erfolgt nur, wenn sie sich innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes bewegt. Andernfalls wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Weitere Verfahren zur Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils sind auch aus der Offenlegungsschrift JP 2013-7600 A oder der Offenlegungsschrift US 2020/0124198 A1 bekannt.
Bei all diesen Vorrichtungen und Verfahren zur Kalibrierung bzw. Kalibration eines Drehmomentsensors ist es jedoch zwingend erforderlich, einen lastfreien Zustand herbeizuführen bzw. sicherzustellen. Dies kann jedoch nur bei Inbetriebnahme der entsprechenden Vorrichtung oder durch eine Unterbrechung des Betriebs gewährleistet werden. Das Risiko, Verschleiß und/oder eine mögliche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit eines Drehventils nicht oder zumindest nicht rechtzeitig zu erkennen, besteht weiterhin. Auch ein Fehlalarm oder Falschmeldungen, die dazu führen, dass der Betrieb des Drehventils bzw. der prozesstechnischen Anlage zur Wartung bzw. Behebung des Fehlers unnötigerweise unterbrochen wird, können weiterhin nicht ausgeschlossen werden. Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Kalibrierung bzw. Kalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils im laufenden Betrieb durchgeführt werden kann.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte werden in einer bevorzugten Variante der Erfindung in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Die Schritte müssen aber nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors eines Drehventils vorgeschlagen, wobei das Drehventil folgende Komponenten aufweist:
- ein drehbar gelagertes Ventilglied,
- einen Antrieb zum Öffnen oder Schließen des Drehventils durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds,
- eine zwischen dem Antrieb und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb auf das Ventilglied, wobei die Kupplung ein Spiel aufweist, und
- den Drehmomentsensor, wobei der Drehmomentsensor zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Während eines ersten Zeitintervalls beaufschlagt der Antrieb das Ventilglied mit einem ersten Drehmoment, um das Ventilglied in einer ersten Drehrichtung zu drehen. b) Während eines zweiten Zeitintervalls beaufschlagt der Antrieb das Ventilglied mit ei- nem zweiten Drehmoment, um das Ventilglied entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung zu drehen. c) Während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall wird das Spiel der Kupplung vollständig oder teilweise durchlaufen. d) Das Drehmoment wird während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung mit Hilfe des Drehmomentsensors gemessen. e) Das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, wird zur Nullpunktkalibration des Drehmomentsensors herangezogen.
Die Messung des gegenwärtigen Nullpunkts bei einem Nullpunktabgleich erfolgt dabei vorzugsweise unter Berücksichtigung einer etwaig vorhergehenden letzten Nullpunktkalibration, also unter Berücksichtigung der momentan geltenden Verschiebung des Nullpunkts.
Durch das Beaufschlagen des Ventilglieds mit dem ersten und dem zweiten Drehmoment wird sichergestellt, dass das Spiel der Kupplung vollständig oder wenigstens teilweise durchfahren wird. Beim vollständigen oder teilweisen Durchfahren des Spiels wirkt keine Last auf den Drehmomentsensor. Die beim Durchfahren des Spiels gemessenen Werte können demnach zum Nullpunktabgleich bzw. zur Nullpunktanpassung bzw. Kalibrierung des Drehmomentsensors genutzt werden.
Der erste und der zweite Zeitraum bzw. das erste und das zweite Drehmoment können dabei so gewählt werden, dass das Ventilglied nicht oder so gut wie nicht bewegt wird. Die Kalibrierung bzw. Kalibration des Drehmomentsensors kann deshalb erfolgen, ohne den Betrieb des Drehventils bzw. einer Anlage, in der das Drehventil eingesetzt wird, zu unterbrechen oder maßgeblich zu stören. Dies ermöglicht es zudem, den Drehmomentsensor häufiger zu kalibrieren und somit das Risiko dafür zu senken, dass Verschleiß und/oder eine mögliche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit eines Drehventils nicht oder zumindest nicht rechtzeitig erkannt. Auch die Gefahr eines Fehlalarms oder von Falschmeldungen, die dazu führen, dass der Betrieb des Drehventils bzw. der prozesstechnischen Anlage zur Wartung bzw. Behebung des Fehlers unnötigerweise unterbrochen wird, kann vermindert werden.
Der Drehmomentsensor kann das Drehmoment während des ersten und/oder des zweiten Zeitintervalls und/oder während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall messen. Die Messung kann auch kontinuierlich bzw. in regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen erfolgen, ohne Rücksicht auf das erste und/oder zweite Zeitintervall. Es kann auch gezielt nur beim Übergang vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessen werden, bspw. um Energie zu sparen.
Das Verfahren kann bei Bedarf ausgeführt werden und dabei bspw. von einem Bediener des Drehventils gestartet werden. Es kann auch in regelmäßigen Intervallen wiederholt werden, bspw. täglich, wöchentlich oder monatlich. Durch eine regelmäßige Ausführung kann die Zuverlässigkeit des Drehmomentsensors gewährleistet bzw. verbessert werden. Eine regelmäßige Ausführung kann durch Ausführungen des Verfahrens nach Bedarf ergänzt werden, wenn bspw. der Bedarf besteht, das Drehmoment genau zu bestimmen und/oder der aktuell gemessene Wert durch eine Null- punktanpassungAkalibrierung des Drehmomentsensors überprüft werden soll und/oder das Drehventil für einen kritischen Betriebszustand vorbereitet werden soll, welcher eine möglichst genaue Überwachung erfordert.
Das Spiel der Kupplung ist einerseits zur Montage notwendig. Andererseits können damit ungewollte Kraftnebenschlüsse verhindert werden, die ggf. die Steuerung des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. die Drehmomentmessung negativ beeinflussen könnten. Das Spiel der Kupplung ist deshalb bevorzugt so ausgelegt, dass Kraftnebenschlüsse vermieden oder sogar ausgeschlossen werden können.
Der Antrieb beaufschlagt das Ventilglied während des ersten Zeitraums mit dem ersten Drehmoment, um das Ventilglied in die erste Drehrichtung zu drehen, und während des zweiten Zeitintervalls mit dem zweiten Drehmoment, um das Ventilglied entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung zu drehen. Daraus ergibt sich, dass sich der erste und zweite Zeitraum nicht überschneiden. Zudem erfordert der Übergang vom ersten zum zweiten Drehmoment eine gewisse Zeitspanne. Der erste und der zweite Zeitraum können demnach direkt aufeinander folgen, wobei dies jedoch so zu verstehen ist, dass sie wenigstens durch die Zeitspanne voneinander getrennt sind, die für den Übergang vom ersten zum zweiten Drehmoment benötigt wird. Die beiden Zeitintervalle können jedoch auch durch einen größeren Zeitraum voneinander getrennt sein.
Die Beaufschlagung mit dem ersten (oder zweiten) Drehmoment während des ersten (oder zweiten) Zeitintervalls ist nicht nur so auszulegen, dass der Antrieb das Ventilglied während des ersten (oder zweiten) Zeitintervalls nur mit einem bestimmten Drehmoment beaufschlagt. Die Beaufschlagung kann eine Mehrzahl verschiedener Drehmomente umfassen, wobei das erste (oder zweite) Drehmoment lediglich ein Teil der Mehrzahl der verschiedenen Drehmomente ist. Sie kann auch durch eine stetige Veränderung des Drehmoments erfolgen, mit dem der Antrieb das Ventilglied beaufschlagt, wobei das erste (oder zweite) Drehmoment lediglich für einen oder mehrere Zeitpunkte erreicht wird.
Das vorgeschlagene Verfahren kann im Rahmen eines Teilhubtests zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Drehventils durchgeführt werden. Hierzu kann das Drehventil mit Mitteln zum Durchführen eines Teilhubtests ausgestattet sein und die Schritte des Beaufschlagens des Ventilglieds mit dem ersten und dem zweiten Drehmoment als Teil des Teilhubtests ausgeführt werden. Das heißt die Schritte werden bei der Durchführung des Teil- hubtests durchgeführt, um das Ventilglied um einen Teilhub bzw. um einen Teil eines Vollhubs bzw. um einen Teil einer Volldrehung zu verfahren. Das erste und das zweite Drehmoment sind dabei automatisch so ausgelegt, dass das Spiel der Kupplung vollständig durchfahren wird, da in einem Teilhubtest stets eine Richtungsumkehr stattfindet. Demnach werden lediglich die Schritte d) und e) des vorgeschlagenen Verfahrens dem Teilhubtest hinzugefügt. Das Verfahren kann demnach durch Hinzufügen der Schritte d) und e) in die bereits bekannten Routinen für Teilhubtests integriert und zusammen mit diesen ausgeführt werden oder als eine Ausbaustufe eines Teilhubtests betrachtet werden.
Das Drehventil kann einen Drehwinkelsensor zum Messen des Drehwinkels des Ventilglieds und Mittel zum Aufzeichnen der Messwerte des Drehwinkelsensors aufweisen. Damit kann das Verfahren weiter ausgestaltet und um folgende Schritte ergänzt werden: f) Der Drehwinkel des Ventilglieds wird während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall mithilfe des Drehwinkelsensors gemessen und aufgezeichnet. g) Das Durchlaufen des Spiels der Kupplung wird mit den während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessenen und aufgezeichneten Werten des Drehwinkels des Ventilglieds geprüft. h) Die Nullpunktkalibration des Drehmomentsensors wird nur ausgeführt, wenn das Durchlaufen des Spiels mithilfe der während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessenen und aufgezeichneten Werten des Drehwinkels des Ventilglieds verifiziert wurde.
Auf diese Weise kann bspw. sichergestellt werden, dass die Nullpunktkalibration bzw. Nullpunktkalibrierung bzw. Nullpunktanpassung des Drehmomentsensors nur dann erfolgt, wenn das Ventilglied beim Durchlaufen des Spiels stillsteht bzw. sich nahezu nicht mehr bewegt. Damit kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Verfahrens verbessert werden.
Des Weiteren kann vor dem ersten Zeitintervall mithilfe des zuvor genannten Drehwinkelsensors und den zuvor genannten Mitteln zum Aufzeichnen der Messwerte des Drehwinkelsensors eine Ventilsignatur des Drehventils aufgenommen werden. Das Durchlaufen des Spiels der Kupplung kann dann zusätzlich mithilfe der Ventilsignatur geprüft werden.
Die Ventilsignatur kann dabei eine Drehwinkel-Drehmoment-Signatur sein. Liegen andere Sensordaten vor, kann auch mit diesen Daten eine Signatur gebildet werden. Dabei kann das vollständige oder teilweise Durchlaufen des Spiels der Kupplung bspw. durch Abweichungen von der Signatur festgestellt werden. Auch mit dieser Maßnahme kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Verfahrens verbessert werden. Das Drehventil kann zudem mit Mitteln zum Ausgeben einer Fehlermeldung ausgestattet werden. Die Mittel zum Ausgeben der Fehlermeldung können aktiviert und eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn bei der zuvor beschriebenen Prüfung das Durchlaufen des Spiels der Kupplung nicht verifiziert, sondern falsifiziert wurde. Dabei wird das Durchlaufen des Spiels als nicht erfolgt angesehen, d.h. falsifiziert, wenn das Durchlaufen nicht verifiziert werden konnte. Auf diese Weise können bspw. Verschleiß, Verschmutzungen bzw. Fremdpartikel und/oder mögliche Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit des Drehventils erkannt werden.
Zur Kalibrierung des Drehmomentsensors kann ein Toleranzband vorgegeben werden und das Verfahren so ausgestaltet werden, dass das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, nur dann zur Nullpunktkalibration des Drehmomentsensors herangezogen wird, wenn es einen Wert aufweist, der innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes liegt. Auf diese Weise können einmalige Ausreißer bzw. Messfehler kompensiert werden. Unvorhergesehene Belastungen des Drehmomentsensors können auf diese Weise nicht zu einer fehlerhaften Kalibration bzw. Neufestsetzung des Nullpunkts des Drehmomentsensors führen.
Das Drehventil kann des Weiteren Mittel zur Aufzeichnung mindestens eines Werts des Drehmoments aufweisen. Dies ermöglicht es, das zuvor beschriebene Toleranzband mithilfe eines Drehmomentwerts vorzugeben, der vor dem ersten Zeitintervall aufgezeichnet wurde. Bevorzugt werden hierfür mehrere Werte aufgezeichnet und zur Vorgabe des Toleranzbandes genutzt. Auf diese Weise kann ein Driften des Nullpunkts hin zu Bereichen mit einer schlechteren Messtoleranz bzw. größeren Messfehlern bei der Vorgabe des Toleranzbandes berücksichtigt werden.
Ferner ist es möglich, den zeitlichen Verlauf des Drehmoments aufzuzeichnen. Das Durchlaufen des Spiels kann dann daran erkannt werden, dass das Drehmoment im zeitlichen Verlauf einen Abschnitt durchläuft, in dem sich das Drehmoment nicht ändert und innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes liegt. Damit kann bspw. vermieden werden, dass die Nullpunktkalibration mit Werten durchgeführt wird, die lediglich einmalige Ausreißer darstellen und nur zufällig in dem vorgegebenen Toleranzband liegen. Das Verfahren kann somit zuverlässiger gestaltet werden.
Beim Nullpunktabgleich bzw. der Nullpunktkalibration sollten keine sprunghaften Änderungen des Nullpunkts auftreten. Schließlich deuten zu starke Änderungen des Nullpunkts auf eine plastische Überbelastung des Drehmomentsensors oder ungewollte Kraftnebenschlüsse oder ein strukturelles Versagen des Sensors hin. Um dies für den Bediener sichtbar zu machen, kann das Drehventil Mittel zum Ausgeben einer weiteren Fehlermeldung aufweisen und ein weiteres Toleranzband vorgegeben werden. Die Mittel zum Ausgeben der weiteren Fehlermeldung werden dann aktiviert und die weitere Fehlermeldung ausgegeben, wenn das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, außerhalb des weiteren Toleranzbandes liegt.
Liegt also der neu ermittelte Nullpunkt innerhalb des weiter oben erwähnten einen Toleranzbands, wird er als neuer Nullpunkt akzeptiert. Liegt er hingegen außerhalb - und nicht innerhalb - des jetzt eingeführten zweiten Toleranzbandes, wird die weitere Fehlermeldung ausgegeben.
Das weitere Toleranzband kann dabei denselben Wertebereich umfassen wie das zuvor beschriebene Toleranzband. Die Entscheidung, ob der Messwert akzeptiert wird oder die weitere Fehlermeldung ausgegeben wird, hängt dann lediglich davon ab, ob der neue Nullpunkt innerhalb oder außerhalb des einheitlichen Toleranzbands liegt.
Bevorzugterweise ist das weitere Toleranzband jedoch etwas breiter gefasst, um etwaigen Messfehlern Rechnung tragen zu können. Entsprechend liegt das zuvor beschriebene Toleranzband typischerweise innerhalb des weiteren Toleranzbands.
Wie stets erfolgt die Messung des gegenwärtigen Nullpunkts bei einem Nullpunktabgleich dabei vorzugsweise unter Berücksichtigung der letzten Nullpunktkalibration, also der momentan geltenden Verschiebung des Nullpunkts.
Liegt der neu gemessene Nullpunkt im Zwischenraum zwischen dem zuvor beschriebenen Toleranzband und dem weiteren Toleranzband, so wird vorzugsweise zunächst die Messung wiederholt. Wird das Ergebnis reproduziert, wird eine dritte Fehlermeldung diesen Inhalts ausgegeben.
Auch bezüglich der zweiten Fehlermeldung, wenn der neu bestimmte Nullpunkt außerhalb des weiteren Toleranzbands liegt, kann - statt die zweite Fehlermeldung unmittelbar auszugeben - die Messung zunächst wiederholt werden. Liegt der neue Nullpunkt dann wieder außerhalb des weiteren Toleranzbands, wird die zweite Fehlermeldung ausgegeben.
Die Aufgabe wird zudem gelöst durch einen Stellungsregler zur Regelung der Stellung eines drehbar gelagerten Ventilglieds eines Drehventils, wobei das Drehventil folgende Komponenten aufweist:
- das drehbar gelagerte Ventilglied,
- einen Antrieb zum Öffnen oder Schließen des Drehventils durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds, - eine zwischen dem Antrieb und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb auf das Ventilglied, wobei die Kupplung ein Spiel aufweist, und
- einen Drehmomentsensor, wobei der Drehmomentsensor zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist.
Der Stellungsregler ist zudem mit Mitteln ausgestattet, die geeignet sind, die Schritte eines der vorgeschlagenen Verfahren auszuführen. Die Mittel können eine Recheneinheit, Steuerelektronik und/oder einen Mikrocontroller mit entsprechender Programmierung darstellen. Die Programmierung kann bspw. im Rahmen einer festen Schaltungsanordnung der Recheneinheit, Steuerelektronik und/oder des Mikrocontrollers oder mithilfe von feldprogrammierbaren Gatteranordnungen (FPGA) umgesetzt werden. Die Mittel können auch darin bestehen, dass der Stellungsregler mit einer Leitwarte verbunden ist, die die entsprechenden Recheneinheiten bzw. entsprechende Programmierung aufweist und Steuersignale an den Stellungsregler zurückübermittelt.
Eine Lösung der Aufgabe stellt ebenfalls ein Drehventil mit
- einem drehbar gelagerten Ventilglied,
- einem Antrieb zum Öffnen oder Schließen des Drehventils durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds,
- einer zwischen dem Antrieb und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb auf das Ventilglied, wobei die Kupplung ein Spiel aufweist,
- einem Drehmomentsensor, wobei der Drehmomentsensor zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist, und
- dem oben beschriebenen Stellungsregler.
Das Drehventil kann zur Übertragung des Drehmoments eine Welle aufweisen, wobei das Drehmoment die Welle tordiert und der Drehmomentsensor so eingerichtet ist, dass er das Drehmoment anhand der Torsion der Welle misst. Die Torsion bzw. die Verdrehung der Welle aufgrund einer bestimmten Lastbeaufschlagung bleibt auch nach einer Vielzahl von Lastbeaufschlagungen und/oder langanhaltenden bzw. stetigen Lastbeaufschlagungen in der Regel unverändert oder zumindest nahezu unverändert. Sie stellt demnach ein sehr zuverlässiges und langlebiges Maß für das Drehmoment dar, das auf die Welle wirkt.
Der Drehmomentsensor kann zudem zwei Drehwinkelsensoren aufweisen, wobei mindestens ein Drehwinkelsensor antriebsseitig und einer ventilgliedseitig angeordnet ist, und so eingerichtet sein, dass er die Torsion der Welle mithilfe der beiden Drehwinkelsensoren misst. Dabei ist der eine Drehwinkelsensor auf der Antriebsseite und der anderen Ventilgliedseite, also nahe der Ventilstange, angeordnet. Mithilfe dieser beiden Drehwinkelsensoren kann die Torsion bzw. Verdrehung der Welle auf sehr direkte Weise bestimmt werden, d.h. insbesondere mit einfachen und zuverlässigen Mitteln.
Das Drehventil 100 kann demnach 3 Drehwinkelsensoren umfassen: zwei Drehwinkelsensoren zum Messen der Torsion der Welle und einen Drehwinkelsensor zum Erfassen des Drehwinkels des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Ventilstange. Es kann des Weiteren auch einen vierten Drehwinkelsensor aufweisen, der bspw. den Drehwinkel des Antriebs bzw. einer Antriebskomponente misst.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine prozesstechnische Anlage mit einem Drehventil wie es zuvor beschrieben wurde.
Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Stellungsregler oder ein Drehventil oder eine Anlage, wie soeben beschrieben, eines der vorgeschlagenen Verfahren ausführt.
Ein computerlesbares Medium, auf dem das soeben beschriebene Computerprogramm gespeichert ist, löst ebenfalls die Aufgabe.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
Fig. 1 ein Drehventil mit einer Drehmomentmesskupplung;
Fig. 2A eine Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Drehmomentmesskupplung;
Fig. 2B einen Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Drehmomentmesskupplung;
Fig. 3A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventil- Stange;
Fig. 3B die Differenz der beiden in Fig. 3A gezeigten zeitlichen Verläufe;
Fig. 3C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in Fig. 3A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde;
Fig. 4 ein Drehwinkel-Drehwinkel-Diagramm der in Fig. 3A gezeigten Drehwinkel;
Fig. 5 ein Drehwinkel-Drehmoment-Diagramm eines der beiden in Fig. 3A gezeigten Drehwinkel und des in Fig. 3C gezeigten Drehmoments;
Fig. 6A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventilstange in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit größerem Spiel;
Fig. 6B die Differenz der beiden in Fig. 6A gezeigten zeitlichen Verläufe;
Fig. 6C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in Fig. 6A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde;
Fig. 7 ein Drehwinkel-Drehmoment-Diagramm eines der beiden in Fig. 6A gezeigten Drehwinkel und des in Fig. 6C gezeigten Drehmoments;
Fig. 8A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventilstange in einem dritten Ausführungsbeispiel mit geringerer zeitlicher Verzögerung im Zusammenhang mit dem Richtungswechsel des Antriebs;
Fig. 8B die Differenz der beiden in Fig. 8A gezeigten zeitlichen Verläufe;
Fig. 8C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in Fig. 8A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde;
Fig. 9A einen zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Antriebswelle und der Ventilstange in einem dritten Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Amplituden;
Fig. 9B die Differenz der beiden in Fig. 9A gezeigten zeitlichen Verläufe;
Fig. 9C einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments, das parallel zu den in Fig. 9A gezeigten Drehwinkeln aufgezeichnet wurde; und
Fig. 10 einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein Drehventil 100. Das Drehventil 100 weist ein Ventilgehäuse 110 mit einer Öffnung 120 und einer weiteren Öffnung 130 auf. Die Öffnungen 120 und 130 dienen als Ein- oder Auslass für ein Prozessfluid, je nachdem in welcher Richtung das Drehventil 100 von dem Prozessfluid durchströmt wird. Zur Kontrolle des Prozessfluids bzw. des Durchflusses des Prozessfluids durch das Drehventil 100 befindet sich im Ventilgehäuse 110 ein drehbar gelagertes Ventilglied und eine Durchflussöffnung. Das drehbar gelagerte Ventilglied kann um eine Drehachse 135 um bis zu 90° gedreht werden. Mit dem drehbar gelagerten Ventilglied kann durch Drehen des Ventilglieds um die Drehachse 135 die Durchflussöffnung im Ventilgehäuse 110 verschlossen oder geöffnet werden und auf diese Weise der Durch- fluss des Prozessfluids durch die Durchflussöffnung bzw. das Drehventil 100 kontrolliert werden.
Das drehbar gelagerte Ventilglied ist in diesem Ausführungsbeispiel als Klappe mit einer Dichtlippe ausgebildet, wobei die Dichtlippe den Zwischenraum zwischen der Klappe und dem Ventilgehäuse 110 abdichtet. Das Drehventil 100 stellt somit ein Klappenventil dar. Die Form bzw. Ausgestaltung des drehbar gelagerten Ventilglieds ist für das vorgeschlagene Verfahren jedoch nicht entscheidend. Es könnte bspw. auch als durchbohrte Kugel ausgebildet sein, womit das Drehventil 100 ein Kugelhahn wäre.
Zum Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds verfügt das Drehventil 100 über einen pneumatischen Antrieb 140. Der pneumatische Antrieb 140 erzeugt zum Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds ein Drehmoment. Das vom Antrieb 140 erzeugte Drehmoment wird dabei über eine Drehmomentmesskupplung 150 zunächst an eine Kupplungswelle 160 übertragen. Die Kupplungswelle 160 ist mit einer Ventilstange verbunden, die wiederum starr mit dem drehbar gelagerten Ventilglied verbunden ist. Die Ventilstange und das drehbar gelagerte Ventilglied befinden sich im Ventilgehäuse 110. Die Kupplungswelle 160 leitet somit das ihr übertragene Drehmoment an die Ventilstange bzw. an das drehbar gelagerte Ventilglied in dem Ventilgehäuse 110 weiter. In anderen Ausführungsformen kann die Ventilstange auch direkt mit der Drehmomentmesskupplung verbunden werden, wofür sie bspw. entsprechend verlängert sein kann.
Die Drehmomentmesskupplung 150 sitzt auf einem Joch 170. Das Joch 170 nimmt das Gewicht der Drehmomentmesskupplung 150 sowie des pneumatischen Antriebs 140 auf und entlastet somit die Kupplungswelle 160 bzw. die Ventilstange und das drehbar gelagerte Ventilglied.
Die Drehmomentmesskupplung 150 ist des Weiteren mit einem Magnetventil 180 verbunden. Mit dem Magnetventil 180 steuert die Drehmomentmesskupplung 150 den pneumatischen Antrieb 140 zur Regelung der Position bzw. des Drehwinkels des drehbar gelagerten Ventilglieds in dem Ventilgehäuse 110. Diese Art der Verknüpfung ist nicht zwingend. In anderen Ausführungsformen kann das Magnetventil sein Ansteuersignal auch von einer Steuerelektronik erhalten, die in einem anderen Gerät integriert ist, wie z.B. einem Stellungsregler. In diesem Fall kann die Drehmomentmesskupplung ebenfalls mit der genannten Steuerelektronik verknüpft sein und ihre Sensorsignale an die Steuerelektronik in dem anderen Gerät weiterleiten, so dass sich alle Signale, die zur Ausführung des Verfahrens zur Nullpunktkalibration notwendig sind, an einem Ort treffen. In beiden Fällen kann das Verfahren darüber hinaus in eine "partial-stroke" Routine bzw. einen Teilhubtest integriert sein.
Zudem verfügt die Drehmomentmesskupplung 150 über Mittel 190 zum Ausgeben einer Fehlermeldung. Die Mittel 190 zum Ausgeben einer Fehlermeldung können bspw. mit einer Leitwarte zur Steuerung des Drehventils 100 verbunden sein, oder mit einer Vorrichtung, mit der ein Bediener das Drehventil 100 steuern kann. Auf diese Weise können dem Bediener Fehlermeldungen über etwaige Fehlfunktionen des Drehventils 100 zur Kenntnis gebracht werden. Auch hier sind andere Ausführungsformen denkbar. Bspw. können die Mittel 190 der Steuerelektronik in dem anderen Gerät zugeordnet sein und/oder Teil einer Leitwarte sein, mit der das Drehventil 100 gesteuert bzw. überwacht wird.
Fig. 2A zeigt die Drehmomentmesskupplung 150 in einer Ansicht vom pneumatischen Antrieb 140 aus gesehen.
Die Drehmomentmesskupplung 150 umfasst ein Gehäuse 200. Aus dem Gehäuse 200 ragt ein Vierkant 210 zum Anschluss an den pneumatischen Antrieb 140. Der pneumatische Antrieb 140 weist eine Antriebswelle mit einem entsprechenden Anschluss bzw. Gegenstück auf, in das der Vierkant 210 eingreifen kann. Der pneumatische Antrieb 140 und die Drehmomentmesskupplung 150 können somit über eine Vierkantkupplung miteinander verbunden werden. Über die Vierkantkupplung kann das vom Antrieb 140 zum Drehen des Ventilglieds erzeugte Drehmoment an die Drehmomentmesskupplung 150 übertragen werden. Die Kupplungswelle 160 ist ebenfalls über eine solche Vierkantkupplung mit der Drehmomentmesskupplung 150 verbunden. Die Verbindung der Antriebswelle des Antriebs 140 mit der Ventilstange bzw. dem drehbar gelagerten Ventilglied erfolgt demnach über drei Kupplungen, den beiden zuvor genannten Vierkantkupplungen sowie der Kupplung zwischen der Kupplungswelle und der Ventilstange.
Die genannten Kupplungen weisen jeweils ein Spiel auf. Das Spiel der Kupplungen ermöglicht nicht nur die Montage, sondern ist darüber hinaus so gewählt, dass Kraftnebenschlüsse vermieden werden, die sich ggf. negativ auf die Messung des Drehmoments auswirken könnten.
Im Folgenden wird vornehmlich das Spiel betrachtet, welches in direktem Zusammenhang mit einem lastfreien Zustand des Drehmomentsensors der Drehmomentmesskupplung in Verbindung steht, nämlich das Spiel der Kupplung zwischen dem Vierkant 210 und dem entsprechenden Gegenstück der Antriebswelle des Antriebs 140. Zu besseren Übersicht wird diese Kupplung im Folgenden antriebsseitige Kupplung genannt.
Das Spiel der antriebseitigen Kupplung beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1°, d.h. 2TT/360 rad, und zwar bezüglich der Drehachse 135. Der pneumatische Antrieb 140 kann somit beim Durchlaufen des Spiels der antriebsseitigen Kupplung eine Drehbewegung der Antriebswelle von einem 1° um die Drehachse 135 ausführen, ohne dass dabei ein Drehmoment auf die Drehmomentmesskupplung 150 übertragen bzw. ausgeübt wird. Das Spiel der beiden anderen Kupplungen spielt im Folgenden keine Rolle. In anderen Ausführungs- formen kann das Spiel der antriebsseitigen Kupplung bzw. der anderen beiden Kupplungen jedoch auch andere Werte aufweisen. Es kann jeweils in einem Bereich von 0,01° bis 10°, 0,02 bis 5°, 0,05° bis 2°, 0,1° bis 1° oder 0,2° bis 0,5° liegen.
Das Gehäuse 200 weist zudem zwei elektrische Anschlüsse 220 und 230 auf. Mit dem elektrischen Anschluss 220 wird die Drehmomentmesskupplung 150 mit Energie versorgt. Mit dem elektrischen Anschluss 230 kann die Drehmomentmesskupplung 150 mit dem Magnetventil 180 verbunden werden.
Fig. 2B zeigt einen Querschnitt der Drehmomentmesskupplung 150 entlang der in Fig. 2A gekennzeichneten Schnittebene A-A. Die Ansicht offenbart das Innenleben der Drehmomentmesskupplung 150, insbesondere eine Drehmomentmesswelle 240, einen antriebsseitigen Drehmomentsensor 250 und einen ventilgliedseitigen Drehwinkelsensor 260. Sie zeigt auch einen ventilgliedseitigen Anschluss 270 (in diesem Ausführungsbeispiel ein Innenvierkant) zur Aufnahme und Verbindung der Drehmomentmesskupplung 150 mit der Kupplungswelle 160. Wie der Querschnittansicht entnommen werden kann, sind der ventilgliedseitige Anschluss 270, die Drehmomentmesswelle 240 und der Vierkant 210 einteilig ausgeführt.
Die Drehmomentmesswelle 240 weist in der Mitte einen verjüngten Teil 280 auf. Wirkt ein Drehmoment auf die Drehmomentmesswelle 240 wird v.a. der verjüngte Teil 280 der Drehmomentmesswelle 240 verdreht bzw. tordiert. Zur Messung dieser Torsion umfasst der antriebsseitige Drehmomentsensor 250 einen Polring 251, der an der zum pneumatischen Antrieb 140 zugewandten Seite des verjüngten Teils 280 der Drehmomentmesswelle 240 angebracht ist. Darüber hinaus umfasst der Drehmomentsensor 250 einen Magnetfeldsensor 252, der an einer Hülse 265 angebracht ist. Die Hülse 265 ist drehsteif mit dem ventilgliedseitigen Anschluss 270 verbunden. Wird die Drehmomentmesswelle 240 tordiert, resultiert die Torsion der Drehmomentmesswelle 240 demnach in einer relativen Verdrehung des Polrings 251 gegenüber dem Magnetfeldsensor 252. Diese Verdrehung wird vom Magnetfeldsensor 252 über eine entsprechende Änderung des Magnetfelds, das vom Polring 252 auf den Magnetfeldsensor ausgeübt wird, registriert. Auf diese Weise kann somit die Verdrehung der Drehmomentmesswelle 240 gemessen und als Maß zur Bestimmung des Drehmoments herangezogen werden, das auf die Drehmomentmesswelle 240 wirkt. Die Torsion bzw. Verdrehung der Drehmomentmesswelle 240 kann dabei im Bereich von 0,01° bis 10°, 0,02 bis 5°, 0,05° bis 2°, 0,1° bis 1° oder 0,2° bis 0,5° liegen.
Der ventilgliedseitige Drehwinkelsensor 260 ist an dem ventilgliedseitigen Anschluss 270, der auf der dem Ventilglied zugewandten Seite des verjüngten Teils 280 liegt, angebracht. Mit dem Drehwinkelsensor 260 kann somit die Stellung des ventilgliedseitigen An- Schlusses 270 bestimmt werden. Die Stellung des ventilgliedseitigen Anschlusses 270 entspricht dabei der Stellung des drehbar gelagerten Ventilglieds modulo des Spiels der Vierkantkupplung zwischen der Drehmomentmesswelle 240 und der Kupplungswelle 160 und modulo des Spiels der Kupplung zwischen der Kupplungswelle 160 und der Ventilstange. Dieser Unterschied spielt im Folgenden keine Rolle. Zur Vereinfachung der Diskussion wird deshalb im Folgenden der Drehwinkel bzw. die Drehstellung des ventilgliedseitigen Anschlusses 270, die mit dem Drehwinkelsensor 260 gemessen wird, mit dem Drehwinkel bzw. der Drehstellung der Kupplungswelle 160 bzw. der Ventilstange bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds gleichgesetzt. Der Messbereich des Drehwinkelsensors 260 umfasst demnach mindestens 90°.
Die Drehmomentmesskupplung 150 weist des Weiteren eine Platine 290 mit einem Mikrocontroller und einem Speicher auf, mit der die Auswertung des Drehmoments und der Messwinkel realisiert wird. Der Mikrocontroller der Platine 290 ist hierzu sowohl mit dem antriebsseitigen Drehmomentsensor 250, insbesondere dem Magnetfeldsensor 252, als auch dem ventilgliedseitigen Drehwinkelsensor 260 verbunden. Er kann zudem mithilfe des elektrischen Anschlusses 230 mit dem Magnetventil 180 des Drehventils 100 verbunden werden. Über diese Verbindung steuert der Mikrocontroller der Platine 290 das Magnetventil 180.
Da die Hülse 265 drehsteif mit dem Anschluss 270 verbunden ist, dreht sich der Magnetfeldsensor 252 bzw. der Drehmomentsensor 250 ebenfalls mit der Drehmomentmesswelle 240 mit. Die Verbindung zu der Platine 290 erfolgt demnach bevorzugt über abrollende Bandkabel bzw. Schleifringe. Funk- und induktive Übertragungswege sind ebenfalls denkbar.
Der Mikrocontroller verfügt zudem über einen Speicher. In dem Speicher sind Information zur Steuerung des Magnetventils 180 hinterlegt. Insbesondere kann in dem Speicher ein zeitlicher Verlauf für die Stellung der Antriebswelle vorgegeben werden.
Fig. 3A zeigt einen zeitlichen Verlauf 300 des Drehwinkels der Antriebswelle, der in dem Speicher des Mikrocontrollers hinterlegt wurde. Der zeitliche Verlauf 300 zeigt somit keine gemessenen Ist-, sondern vorgegebene Soll-Werte. Dies ist für den betrachteten Fall jedoch von untergeordneter Bedeutung. Deshalb kann im Folgenden der vorgegebene Soll- Wert für die Stellung der Antriebswelle mit dem Ist-Wert für die tatsächliche Stellung der Antriebswelle gleichgesetzt werden.
Fig. 3A zeigt zudem einen zeitlichen Verlauf 310 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds, der mit dem Drehwinkelsensor 260 aufgenommen wurde (die Drehwinkel sind dabei in ° angegeben, wobei 1° = 2TT/360 rad beträgt; die Zeit ist in Sekunden angegeben). Zudem zeigt Fig. 3B die Differenz 320 der Drehwinkel 300 und 310 über den betrachteten Zeitraum.
Fig. 3C zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 330 des Drehmoments, das von dem pneumatischen Antrieb 140 auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird (das Drehmoment ist dabei in Nm angegeben). Der zeitliche Verlauf 330 wurde mithilfe des Drehmomentsensors 250 parallel zu dem zeitlichen Verlauf 310 aufgenommen.
Dem zeitlichen Verlauf 300 ist zu entnehmen, dass der Mikrocontroller der Platine 290 das Magnetventil 180 des pneumatischen Antriebs 140 so steuert, dass sich die Antriebswelle zwischen den Drehwinkeln 1° und 10° hin und her bewegt, und zwar mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit von ca. 2,3 7s zu Beginn und ca. 3 7s im weiteren Verlauf, mit Pausen von ca. 1 s vor jedem Richtungswechsel.
Der Vergleich des zeitlichen Verlaufs 300 mit dem zeitlichen Verlauf 310 zeigt dabei, dass die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied der Drehbewegung der Antriebswelle folgt, und zwar mit einer Verzögerung von ca. 1° bei Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln und nahezu ohne Verzögerung bei Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkelwerten. Dieses Verhalten zeigt sich auch in der Differenz 320 der zeitlichen Verläufe 300 und 310, d.h. der Differenz der Drehwinkel der Antriebswelle und der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds. Es spiegelt das Spiel der antriebsseitigen Kupplung sowie die Definition der Nulllagen der Drehwinkel wider. Bei Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln kann sich das gesamte Spiel der antriebsseitigen Kupplung zu dem Drehwinkel der Antriebswelle addieren. Bei Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln besteht zu großen Teilen kein Unterschied zwischen den Drehwinkeln. Die Drehwinkeln sind demnach so kalibriert bzw. die Nulllagen so definiert, dass bei Bewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln, die Antriebs- und Kupplungswelle 160 denselben Drehwinkel aufweisen können.
Der zeitliche Verlauf 330 des Drehmoments ist vor Allem durch Gleitreibungseffekte geprägt. Bewegt die Antriebswelle das drehbar gelagerte Ventilglied hin zu größeren Drehwinkeln, weist das Drehmoment einen Wert von (in diesem Beispiel) +20 Nm auf. In die entgegengesetzte Richtung wechselt das Drehmoment sein Vorzeichen und beträgt (in diesem Beispiel) -20 Nm. Der Wert 20 Nm ist dabei der Gleitreibung der Klappe im Ventilgehäuse 110 zuzuschreiben. Die Gleitreibung entsteht dabei im Wesentlichen dadurch, dass die Dichtlippe der Klappe gegen das Ventilgehäuse 110 gedrückt und derart am Ventilgehäuse 110 entlanggezogen wird, dass die Dichtlippe eine rückstellende Kraft auf die Klappe ausübt. Die Gleitreibung ist demnach durch die Verformung der Dichtlippe gegeben. Sie bleibt auch dann bestehen, wenn die Antriebs- und Kupplungswelle 160 bei ca. 5 s bis 6 s eine Ruhepo- sition einnehmen bzw. sich nicht mehr bewegen. Sie hat zudem für die betrachteten Drehgeschwindigkeiten von 2,3 7s und 3 7s den gleichen Wert. Wird die Antriebswelle in die entgegengesetzte Richtung bewegt, entspannt sich die Dichtlippe zunächst und setzt die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied um einen kleinen Winkel von ca. 0,1° zurück. Ähnliches gilt für die Ruhepositionen bei ca. 9 bis 10 s und bei ca. 13 bis 14 s.
Gleichzeitig durchläuft die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung. Dies kann anhand der Tatsache abgelesen werden, dass sich der Drehwinkel der Antriebswelle verändert, während der Drehwinkel des Ventilglieds unverändert bleibt. Das Durchlaufen des Spiels kann auch anhand der Veränderung der Differenz dieser Drehwinkel verifiziert werden. Das Drehmoment verschwindet entsprechend bzw. fällt auf einen Wert nahe 0. Erst nach ca. 0,3 s baut sich wieder ein Drehmoment auf, wenn die Antriebswelle das Spiel durchlaufen hat und die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied in die andere Richtung bewegt. Der zeitliche Verlauf 330 des Drehmoments weist demnach einen horizontalen Ast nahe um den Wert 0 auf. Zudem weist er einen Nulldurchgang bzw. einen Wechsel des Vorzeichens auf. Dieser Nulldurchgang bzw. Vorzeichenwechsel folgt dem Richtungswechsel der Drehrichtung der Antriebswelle. Der horizontale Ast, der Nulldurchgang bzw. Vorzeichenwechsel können zusätzlich zum Erkennen des Durchlaufens des Spiels der antriebsseitigen Kupplung genutzt werden, bzw. zum Erkennen des Zeitraums, an dem der Drehmomentwert zur Nullpunktkalibration gemessen werden kann.
Während des Zeitraums von ca. 0,3 s, in denen die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung durchläuft und das Drehmoment verschwindet bzw. einen Wert nahe 0 annimmt, wird das Drehmoment gemessen. Der neue Nullpunkt kann dabei zum Beispiel als Mittelwert über den ermittelten Zeitraum festgestellt werden. Ebenso gut kann der Nullpunkt sich aus dem Wert in der Mitte des Zeitraums ergeben; oder als Mittelwert über ein Teilintervall innerhalb des identifizierten Zeitraums.
Liegt der gemessene Wert in einem Toleranzband von -0,1 Nm bis +0,1 Nm, wird der Wert zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt. Liegt der Wert außerhalb des zuvor genannten Toleranzbandes, wird der Wert verworfen.
Wie dem zeitlichen Verlauf 330 des Weiteren entnommen werden kann, steigt das Drehmoment bei Drehbewegungen zu größeren Drehwinkeln kurzfristig an (siehe z.B. die Spitze bei ca. 1 ,4 s oder 10,3 s) bzw. sackt bei Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln kurzfristig ab (vgl. die Spitzen bei ca. 6,3 bzw. 14,3 s). Das Drehmoment erhöht sich dabei kurzfristig auf 25 Nm bzw. sackt auf -25 Nm ab. Diese Spitzen des zeitlichen Verlaufs 330 sind auf ein Umklappen der Dichtlippe zurückzuführen. Das Umklappen erfordert ein zusätzliches Drehmoment von ca. 5 Nm. Das zusätzliche Drehmoment kann auch als Haftreibung aufgefasst werden. In anderen Ausführungsformen kann eine derartige Haftreibung auch auf andere Ursachen zurückzuführen sein, bspw. Anhaftungen an der Dichtlippe bzw. Ventilglieds. Die Haftreibung muss in der Regel zum Losbrechen des Ventilglieds aus einer Stellung aufgewendet, in der das Ventilglieds für eine längere Zeit befunden hat.
Fig. 4 fasst die zeitlichen Verläufe 300 und 310 in einem Verlauf 400 zusammen, der den Drehwinkel des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Kupplungswelle 160 als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt. Der untere Ast gehört dabei zu Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln, der obere Ast zu Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln. Der Verlauf 400 wird demnach beim Hin- und Herbewegen der Antriebswelle zwischen 1° und 10° gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen. Die Differenz der beiden Äste ist durch das Spiel der antriebsseitigen Kupplung gegeben und beträgt demgemäß 1°. Das Zurücksetzen des Ventilglieds durch die rückstellenden Kräfte der Dichtlippe führt dazu, dass die horizontalen Anteile des Verlaufs 400 nicht bei 1° bzw. 9° liegen, sondern bei 1 ,1° bzw. 8,9°.
Nimmt der Drehwinkel des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Kupplungswelle 160 demnach den kleineren oder größeren dieser Werte beim Durchlaufen des dem kleineren oder größeren dieser Werte entsprechenden horizontalen Anteils des Verlaufs 400 an, durchläuft die Antriebswelle das Kupplungsspiel bzw. übt die Antriebstange kein Drehmoment auf die Kupplungswelle 160 bzw. die Drehmomentmesskupplung 150 aus. Dieser Zeitraum bzw. diese Momente können zur Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt werden. Die Kalibrierung kann dabei anhand der Drehwinkelwerte der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds von 1 ,1° oder 8,9° beim Durchlaufen des dem kleineren oder größeren dieser Werte entsprechenden horizontalen Anteils des Verlaufs 400 verifiziert werden. Diese Art der Verifikation ist nicht auf das Drehventil 100 beschränkt, sondern steht grundsätzlich für jedes Drehventil zur Verfügung, bei dem das drehbar gelagerte Ventilglied wieder etwas zurücksetzt, nachdem es in eine Richtung gedreht wurde und kein Drehmoment mehr auf das Ventilglied ausgeübt wird.
Fig. 5 fasst die zeitlichen Verläufe 300 und 330 in einem Verlauf 500 zusammen, der das Drehmoment als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt. Der untere Ast gehört dabei zu Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln, der obere Ast zu Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln. Der Verlauf 500 wird demnach beim Hin- und Herbewegen der Antriebswelle zwischen 1° und 10° im Uhrzeigersinn durchlaufen. Dabei äußert sich das Spiel der antriebsseitigen Kupplung in der Länge der horizontalen Anteile des Verlaufs 500, die um oder nahe bei der horizontalen 0-Linie liegen, die für ein verschwindendes Drehmoment steht. Die horizontalen Abschnitte Überspannen - dem Spiel von ca. 1° ent- sprechend - ca. 1°. Zudem zeigt Fig. 5 ein Toleranzband 510 sowie ein weiteres Toleranzband 520. Das Toleranzband 510 liegt dabei innerhalb des breiter gefassten Toleranzbands 520.
Die Länge eines oder beider horizontalen Abschnitte des Verlaufs 500, die nahe an der 0-Linie liegen, kann einerseits dazu verwendet werden, das Durchlaufen des Spiels zu verifizieren. Andererseits können Werte, die das Drehmoment beim Durchlaufen der horizontalen Abschnitte annimmt, jeweils zur Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 herangezogen werden. Sie können jedoch auch miteinander verglichen werden, um die Kalibrierung einerseits zu verifizieren bzw. deren Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.
Die Nullpunktkalibration kann bspw. mit den Drehmomentwerten eines der horizontalen Äste des Verlaufs 500 durchgeführt werden, vorzugsweise durch Bildung eines Mittelwerts über die Werte, die im mittleren Drittel des einen der horizontalen Äste liegen. Dabei wird u.a. geprüft, ob der Mittelwert innerhalb des Toleranzbands 510 liegt. Liegt der Mittelwert innerhalb des Toleranzbands 510, wird die Nullpunktkalibration mit dem Mittelwert durchgeführt. Liegt der Mittelwert außerhalb des Toleranzbands 510 wird die Nullpunktkalibration nicht ausgeführt, sondern in einem weiteren Schritt geprüft, ob der Mittelwert innerhalb oder außerhalb des Toleranzbands 520 liegt. Liegt der Mittelwert außerhalb des Toleranzbands 520 kann eine Fehlfunktion bzw. Störung des Drehventils 100 bzw. einer seiner Komponenten nicht ausgeschlossen werden. In diesem Fall wird mit den Mitteln 190 zum Ausgeben einer Fehlermeldung eine entsprechende Fehlermeldung bspw. an eine Leitwarte oder Vorrichtung, mit der ein Bediener das Drehventil 100 steuern kann, ausgegeben. Liegt der Mittelwert außerhalb des Toleranzbands 510 aber innerhalb des Toleranzbands 520, wird das Verfahren zur Nullpunktkalibration wiederholt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass einmalige statistische Ausreißer zu einer Fehlermeldung und unnötigem Wartungsaufwand führen.
Das soeben beschriebene Verfahren zur Nullpunktkalibration ist nicht auf eine Nullpunktkalibration mit dem zuvor beschriebenen Mittelwert beschränkt, sondern kann allgemein für jeden Drehmomentwert durchgeführt werden, der für eine Nullpunktkalibration in Betracht gezogen wird. Dies gilt insbesondere für die Werte, die im Zuge der Beschreibung der Figuren 3A bis 4 bereits genannt wurden und auch im Folgenden noch genannt werden.
Fig. 6A zeigt - ähnlich zu dem zeitlichen Verlauf 300 - einen zeitlichen Verlauf 600 des Drehwinkels der Antriebswelle sowie einen zeitlichen Verlauf 610 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds für eine weitere Ausführungsform des Drehventils 100, die nahezu identisch mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist. Die weitere Ausführungsform des Drehventils 100 unterscheidet sich ledig- lieh durch die Größe des Spiels der antriebsseitigen Kupplung. Es beträgt nicht 1°, sondern 2°.
Zudem zeigt Fig. 6B die Differenz 620 der zeitlichen Verläufe 600 und 610.
Fig. 6 C zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 630 des Drehmoments, das vom pneumatischen Antrieb 140 auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird.
Die zeitlichen Verläufe 600 bis 630 sind den zeitlichen Verläufen 300 bis 330 sehr ähnlich. Insbesondere ist der zeitliche Verlauf 600 identisch zu dem zeitlichen Verlauf 300, d.h. die Antriebswelle wird in der gleichen Art und Weise bewegt wie zur Aufnahme der Verläufe, die in den Figuren 3A bis 30 dargestellt sind. Der Vergleich der Verläufe 300 bis 330 und 600 bis 630 zeigt deshalb, welchen Einfluss das verlängerte Kupplungsspiel hat. Das verlängerte Kupplungsspiel äußert sich insbesondere dadurch, dass die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied der Antriebswelle nicht mit einer Verzögerung von 1°, sondern mit einer Verzögerung von ca. 2° folgt.
Aufgrund des verlängerten Kupplungsspiels verlängert sich auch der Zeitraum, in dem die Kalibrierung bzw. die Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 vorgenommen werden kann. Wie den zeitlichen Verläufen 600 bis 630 entnommen werden kann, und zwar wiederum anhand der Tatsache, dass sich der Drehwinkel der Antriebswelle verändert, während der Drehwinkel des Ventilglieds unverändert bleibt, bzw. dass sich die Differenz der Drehwinkel verändert, durchläuft die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung bspw. im Zeitraum von ca. 6 bis 6,7 s. Das Drehmoment verschwindet entsprechend bzw. fällt auf einen Wert nahe 0. Erst nach ca. 0,7 s baut sich wieder ein Drehmoment auf, wenn die Antriebswelle das Spiel von 2° durchlaufen hat und die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied in die andere Richtung bewegt. Während des Zeitraums von ca. 0,7 s, in denen die Antriebswelle das Spiel der antriebsseitigen Kupplung durchläuft und das Drehmoment verschwindet bzw. einen Wert nahe 0 annimmt, wird das Drehmoment gemessen und zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 der weiteren Ausführungsform des Drehventils 100 genutzt.
Fig. 7 fasst die zeitlichen Verläufe 600 und 630 in einem Verlauf 700 zusammen, der das Drehmoment als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt. Der untere Ast gehört dabei zu Drehbewegungen hin zu kleineren Drehwinkeln, der obere Ast zu Drehbewegungen hin zu größeren Drehwinkeln. Der Verlauf 700 wird demnach beim Hin- und Herbewegen der Antriebswelle zwischen 1° und 10° im Uhrzeigersinn durchlaufen. Dabei äußert sich das verlängerte Spiel der antriebsseitigen Kupplung in längeren horizontalen Anteilen des Verlaufs 700 um oder nahe bei der horizontalen 0-Linie, die für ein verschwindendes Drehmoment steht. Die horizontalen Abschnitte Überspannen ca. 2°, was genau dem verlängerten Kupplungsspiel von ca. 2° entspricht und - wie zuvor (vgl. Fig. 5 und die zugehörige Figurenbeschreibung) - ebenfalls zur Verifikation der Kalibrierung bzw. der Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit derselben genutzt werden kann.
Fig. 8A zeigt den zeitlichen Verlauf 800 des Drehwinkels der Antriebswelle sowie den zeitlichen Verlauf 810 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds, wobei zur Aufnahme der Verläufe 800 und 810 die Ausführungsform des Drehventils 100 verwendet wurde, mit der die Verläufe 300 bis 330 aufgenommen wurden.
Zudem zeigt Fig. 8B die Differenz 820 der zeitlichen Verläufe 800 und 810.
Fig. 80 zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 830 des Drehmoments, das vom Antrieb 140 dabei auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird.
Die Verläufe 800, 810, 820 und 830 sind sehr ähnlich zu den Verläufen 300, 310, 320 und 330. Der Vergleich der zeitlichen Verläufe 300 und 800 zeigt, dass lediglich die Pausen von ca. 1 s bei den Richtungswechseln ausgelassen wurden und auch die zweite und alle weiteren Drehbewegungen mit ca. 2,3 7s ausgeführt wurden. Der Vergleich zeigt auch, dass die Pausen bzw. die veränderte Drehgeschwindigkeit für die Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 nicht von entscheidender Bedeutung sind. Die Messung des Drehmomentwerts, der zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt wird, kann - nahezu wie zuvor (vgl. Fig. 3A bis 30 sowie die zugehörige Figurenbeschreibung) - weiterhin in einem Zeitfenster von ca. 0,4 s vorgenommen werden, das einem Wechsel der Drehrichtung folgt, wie bspw. bei den Drehrichtungswechseln zu den Zeitpunkten bei 5, 9 oder 13 s. Die etwas längere Zeitspanne von 0,4 s ist dabei der geringeren Drehgeschwindigkeit von 2,3 7s zuzurechnen (bei einer Drehgeschwindigkeit von 3 7s wie bei der Aufnahme der zeitlichen Verläufe 300 bis 330 betrug die Zeitspanne 0,3 s).
Die zuvor genannten Pausen sind in diesem Beispiel nicht von entscheidender Bedeutung, da das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. die Ventilstange bzw. die Kupplungswelle 160 einerseits unmittelbar einer Veränderung des Drehmoments, das auf das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. die Ventilstange bzw. die Kupplungswelle 160 ausgeübt wird, folgt und die Trägheit der Komponenten bei den betrachteten Geschwindigkeiten nicht bzw. nicht in besonderem Maße ins Gewicht fällt. Bei Ausführungsformen des Drehventils 100, die eine größere Trägheit aufweisen oder bei schnelleren Drehbewegungen, kann es jedoch vorteilhaft sein abzuwarten, bis sich das drehbar gelagerte Ventilglied bzw. die Ventilstange bzw. die Kupplungswelle 160 nicht mehr bewegt, bevor die Richtungsumkehr zum Durchlaufen des Spiels der Kupplung eingeleitet wird. Die Drehbewegung des Ventilglieds kann dabei bspw. mit dem Drehwinkelsensor im Ventilgehäuse überprüft werden. Auf diese Weise lässt sich bspw. sicherstellen, dass das Spiel nicht zu schnell durchlaufen wird.
Fig. 9A zeigt den zeitlichen Verlauf 900 des Drehwinkels der Antriebswelle sowie den zeitlichen Verlauf 910 (gestrichelt) des Drehwinkels der Kupplungswelle 160 bzw. des drehbar gelagerten Ventilglieds, wobei zur Aufnahme der Verläufe 900 und 910 wiederum die Ausführungsform des Drehventils 100 verwendet wurde, mit der die Verläufe 300 bis 330 bzw. 800 bis 830 aufgenommen wurden.
Zudem zeigt Fig. 9B den zeitlichen Verlauf 920 der Differenz der zeitlichen Verläufe 900 und 910.
Fig. 9C zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf 930 des Drehmoments, das vom Antrieb 140 dabei auf die Kupplungswelle 160 bzw. das drehbar gelagerte Ventilglied ausgeübt wird.
Der Vergleich der zeitlichen Verläufe 300, 800 und 900 zeigt, dass diesmal nicht nur die Pausen von ca. 1 s bei den jeweiligen Richtungswechseln ausgelassen wurden, sondern auch die Amplitude der Drehbewegungen verändert wurde. Anstatt die Antriebswelle abwechselnd zwischen den Drehwinkeln von 1° und 10° hin und herzubewegen, wird die Antriebswelle zunächst mit einer Geschwindigkeit von ca. 6,3 7s von 1° auf 20° gedreht, danach mit einer Geschwindigkeit von ca. 3,3 7s zurück auf 10° und anschließend mit einer Geschwindigkeit von ca. 6,3 7s auf 60° und hiernach wieder mit einer Geschwindigkeit von ca. 8 7s in die entgegengesetzte Richtung. Die unterschiedlichen Amplituden führen demnach vornehmlich zu variierenden Drehgeschwindigkeiten. Den unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten entsprechend, beträgt die Zeitspanne, die zum Messen des für die Nullpunktkalibration verwendeten Drehmomentmesswerts zur Verfügung steht, lediglich ca. 0,3 s nach dem Richtungswechsel bei 4 s, ca. 0,2 s nach dem Richtungswechsel bei 7 s und ca. 0,1 s nach dem Richtungswechsel bei ca. 13 s.
Der Verlauf 930 zeigt zudem, dass die Unterschiede in den betrachteten Drehgeschwindigkeiten nahezu keinen Einfluss auf die Werte der Drehmomente haben, die zur Bewegung des drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Ventilstange bzw. der Kupplungswelle 160 überwunden bzw. aufgebracht werden müssen.
Fig. 10 zeigt einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1000 zur Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 des Drehventils 100.
Das Verfahren beginnt mit Schritt 1010, in dem die Verfahrensparameter vorgegeben werden. Insbesondere werden dabei ein erstes Drehmoment vorgegeben und ein erstes Zeitintervall, in dem der pneumatische Antrieb 140 das drehbar gelagerte Ventilglied des Drehventils 100 mit dem ersten Drehmoment beaufschlagt, um das Ventilglied in eine erste Richtung zu drehen. Des Weiteren wird ein zweites Drehmoment vorgegeben und ein zweites Zeitintervall, in dem der pneumatische Antrieb 140 das drehbar gelagerte Ventilglied des Drehventils 100 mit dem zweiten Drehmoment beaufschlagt, um das Ventilglied entgegengesetzt zur ersten Richtung zu drehen.
In Schritt 1020 wird mithilfe des pneumatischen Antriebs 140 das drehbar gelagerte Ventilglied des Drehventil 100 während des ersten Zeitintervalls mit dem ersten Drehmoment beaufschlagt.
In Schritt 1030 wird die Beaufschlagung des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem ersten Drehmoment beendet.
In Schritt 1040 wird mithilfe des pneumatischen Antriebs 140 das drehbar gelagerte Ventilglied mit dem zweiten Drehmoment beaufschlagt, wobei das Spiel der antriebsseitigen Kupplung durchlaufen wird. Beim Durchlaufen des Spiels der antriebsseitigen Kupplung wird das Drehmoment gemessen. Das Durchlaufen des Spiels kann dabei mithilfe der Drehwinkelsensoren für die Antriebswelle und die Ventilstange überprüft werden.
In Schritt 1050 wird das Beaufschlagen des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem zweiten Drehmoment während des zweiten Zeitintervalls fortgesetzt.
Der in Schritt 1040 gemessene Wert des Drehmoments wird in Schritt 1060 zur Kalibrierung bzw. Kalibration der Drehmomentmesskupplung 150 genutzt.
Beim Durchlaufen des Spiels der antriebsseitigen Vierkantkupplung entsteht ein lastfreier Zustand der Drehmomentmesskupplung 150. Der dabei gemessene Wert des Drehmoments kann demnach zur Nullpunktkalibration der Drehmomentmesskupplung 150 herangezogen werden. Das Verfahren lässt sich nach Bedarf wiederholen.
Glossar
Drehventil
Ein Drehventil ist ein Stellventil mit einem drehbar gelagerten Ventilglied. Das drehbar gelagerte Ventilglied kann als Klappe oder durchbohrte Kugel ausgebildet sein, wobei man das Drehventil im ersten Fall als Klappenventil und im zweiten Fall als Kugelhahn bezeichnet.
Kupplung
Eine Kupplung stellt eine Verbindung zweier Wellen dar, z.B. die Verbindung einer Antriebs- und einer Ventilstange eines Ventilglieds eines Drehventils. Durch die Verbindung kann zwischen den beiden Wellen Rotation und damit Drehmoment übertragen werden.
Spiel / Drehspiel
Ein Spiel ist ein fertigungs- und anwendungsbedingter Bewegungsfreiraum, in dem sich ein mechanisches Bauteil während oder nach der Montage gegen ein anderes Bauteil frei bewegen lässt. Ein Spiel ermöglicht nicht nur die Montage bzw. Verbindung mechanischer Bauteile, sondern kann auch dazu genutzt werden, um bspw. lastfreie Zustände ohne Kraftnebenschlüsse zu gewährleisten.
Bei der Verbindung zweier Wellen, die sich um eine gemeinsame Drehachse drehen, treten in der Regel sowohl radiale als auch axiale Spiele auf. Ein radiales Spiel stellt einen Spielraum in radialer Richtung bezüglich der Drehachse dar. Ein axiales Spiel stellt ein Verkippen bezüglich der Drehachse dar. Zudem weist eine derartige Verbindung in der Regel ein Drehspiel auf, d.h. die Wellen können um die Drehachse um ihr Drehspiel gegeneinander verdreht werden, ohne dass eine Kraft von der einen auf die andere Welle übertragen wird. Im Rahmen dieser Anmeldung werden nur Kupplungen bzw. Verbindungen zweier Wellen betrachtet, deren Spiel ein Drehspiel aufweist.
Ventilglied
Ein Ventilglied ist ein Element eines Ventils, mit dem das Ventil geschlossen werden kann. Bei einem Klappenventil umfasst das Ventilglied eine Ventilstange und eine Klappe, die starr mit der Ventilstange verbunden ist. Durch Drehen der Ventilstange kann die Klappe gegen eine Durchflussöffnung des Klappenventils gepresst werden, um die Durchflussöff- nung zu verschließen.
Bei einem Kugelhahn umfasst das Ventilglied ebenfalls eine Ventilstange, welche jedoch mit einer durchbohrten Kugel so verbunden ist, dass die durchbohrte Kugel mit der Ventilstange gedreht werden kann. Dabei ist die Durchbohrung der Kugel so angeordnet, dass sie in einer Schließstellung von einem Gehäuse des Ventils dicht verschlossen wird und in einer Offenstellung die Durchflussöffnung des Ventils bildet.
Ventilsignatur
Eine Ventilsignatur stellt ein Bündel aus Hub-Druck-Kurven in einem Hub-Druck- Diagramm dar. Hub-Druck-Kurven sind Funktionen, mit denen einem Hub bzw. einer Drehstellung (z.B. eines Ventilglieds) ein Druck (z.B. eines pneumatischen Antriebs eines Stellventils) zugeordnet werden kann. Eine Ventilsignatur wird in vielen Fällen mithilfe einer Belüftungskurve und einer Entlüftungskurve definiert. Die Hub-Druck-Kurven einer Ventilsignatur liegen innerhalb des Bandes, das durch die Be- und Entlüftungskurve begrenzt wird. Diese fallen reibungsbedingt nicht zusammen und formen eine Hysterese. Die Definition einer Ventilsignatur kann durch Angabe einer Mittelwertkurve ergänzt werden. -
Wägezelle
Wägezellen sind eine Sonderform der Kraftaufnehmer (Kraftsensoren) zum Aufbau von Wägevorrichtungen, d. h. zum Verwiegen mit Waagen. Sie sind in Gramm (g), Kilogramm (kg) oder Tonnen (t) kalibriert, nicht in Newton (N) wie Kraftaufnehmer. Wägezellen enthalten wie Kraftaufnehmer meist einen Federkörper, d. h. ein geeignet geformtes Stück Metall, dessen Geometrie sich unter Einwirkung des Gewichts leicht verändert. Diese elastische Verformung wird von Dehnungsmessstreifen oder anderen, geeigneten Messwandlern (magnetisch, optisch, kapazitiv) erfasst und in ein elektrisches Signal umgeformt.
Bezugszeichen
Drehventil
Ventilgehäuse
Öffnung weitere Öffnung
Drehachse
Antrieb
Drehmomentmesskupplung
Kupplungswelle
Joch
Magnetventil
Mittel zum Ausgeben einer Fehlermeldung
Gehäuse
Vierkant elektrischer Anschluss elektrischer Anschluss
Drehmomentmesswelle antriebsseitiger Drehmomentsensor
Polring
Magnetfeldsensor ventilgliedseitiger Drehwinkelsensor
Hülse ventilgliedseitiger Anschluss verjüngter Teil
Platine zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310 zeitlicher Verlauf eines Drehmoments 400 Verlauf eines Drehwinkels eines drehbar gelagerten Ventilglieds bzw. der Ventilstange als Funktion eines Drehwinkels einer Antriebswelle
500 Verlauf eines Drehmoments als Funktion eines Drehwinkels einer Antriebswelle
510 Toleranzband
520 weiteres Toleranzband 00 zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle 10 zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
620 Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310
630 zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
700 Verlauf eines Drehmoments als Funktion eines Drehwinkels einer Antriebswelle
800 zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle
810 zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
820 Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310
830 zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
900 zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Antriebswelle
910 zeitlicher Verlauf eines Drehwinkels einer Ventilstange bzw. eines drehbar gelagerten Ventilglieds
920 Differenz der zeitlichen Verläufe 300 und 310
930 zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
1000 Verfahren
1010 Vorgeben von einem ersten und zweiten Drehmoment sowie eines ersten und zweiten Zeitintervalls
1020 Beaufschlagen eines drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem ersten Drehmoment während des ersten Zeitintervalls
1030 Beenden des Beaufschlagens des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem ersten Drehmoment
1040 Beaufschlagen des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem zweiten Drehmoment 1050 Beaufschlagen des drehbar gelagerten Ventilglieds mit dem zweiten Drehmoment während des zweiten Zeitintervalls
1060 Nullpunktkalibration eines Drehmomentsensors
zitierte Literatur zitierte Patentliteratur
DE 20 2019 107203 U1
DE 10 2012 111 883 A1
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WO 2009/013205 A1
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DE 10 2020 105 759 A1
EP 3 372 963 B1
DE 10 2019 122 525 A1
JP 2013-7600 A
US 2020/0124198 A1.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Nullpunktkalibration (1060) eines Drehmomentsensors (150) eines Drehventils (100),
1.1 wobei das Drehventil (100) folgende Komponenten aufweist:
1.1.1 ein drehbar gelagertes Ventilglied;
1.1.2 einen Antrieb (140) zum Öffnen oder Schließen des Drehventils (100) durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds;
1.1.3 eine zwischen dem Antrieb (140) und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb auf das Ventilglied;
1.1.3.1 wobei die Kupplung ein Spiel aufweist; und
1.1.4 den Drehmomentsensor (150),
1.1.4.1 wobei der Drehmomentsensor (150) zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1.2 während eines ersten Zeitintervalls beaufschlagt (1020) der Antrieb (140) das Ventilglied mit einem ersten Drehmoment, um das Ventilglied in einer ersten Drehrichtung zu drehen;
1.3 während eines zweiten Zeitintervalls beaufschlagt (1050) der Antrieb (140) das Ventilglied mit einem zweiten Drehmoment, um das Ventilglied in einer zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung zu drehen;
1.4 während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall wird das Spiel der Kupplung vollständig oder teilweise durchlaufen (1030, 1040);
1.5 das Drehmoment wird während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung mit Hilfe des
Drehmomentsensors (150) gemessen (1040);
1.6 das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, wird zur Nullpunktkalibration (1060) des Drehmomentsensors (150) herangezogen.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
2.1 dass das Drehventil (100) Mittel zum Durchführen eines Teilhubtests aufweist; und
2.2 dass die Schritte des Beaufschlagens des Ventilglieds mit dem ersten und dem zweiten
Drehmoment als Teil des Teilhubtests ausgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
3.1 dass das Drehventil (100) einen Drehwinkelsensor zum Messen des Drehwinkels des
Ventilglieds und Mittel zum Aufzeichnen der Messwerte des Drehwinkelsensors aufweist;
3.2 dass der Drehwinkel des Ventilglieds während des Übergangs vom ersten zum zweiten
Zeitintervall mithilfe des Drehwinkelsensors gemessen und aufgezeichnet wird;
3.3 dass das Durchlaufen des Spiels der Kupplung mit den während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessenen und aufgezeichneten Werten des Drehwinkels des Ventilglieds geprüft wird; und
3.4 dass die Nullpunktkalibration (1060) des Drehmomentsensors (150) nur ausgeführt wird, wenn das Durchlaufen des Spiels mithilfe der während des Übergangs vom ersten zum zweiten Zeitintervall gemessenen und aufgezeichneten Werte des Drehwinkels des Ventilglieds verifiziert wurde.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
4.1 dass vor dem ersten Zeitintervall mithilfe des Drehwinkelsensors und den Mitteln zum
Aufzeichnen der Messwerte des Drehwinkelsensors eine Ventilsignatur des Drehventils (100) aufgenommen wird; und
4.2 dass das Durchlaufen des Spiels der Kupplung mithilfe der Ventilsignatur geprüft wird.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
5.1 dass das Drehventil (100) Mittel (190) zum Ausgeben einer Fehlermeldung aufweist; und
5.2 dass die Mittel (190) zum Ausgeben der Fehlermeldung aktiviert und die Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn das Durchlaufen des Spiels der Kupplung falsifiziert wurde.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
6.1 dass ein Toleranzband (510) vorgegeben wird; und
6.2 dass das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, nur zur Nullpunktkalibration (1060) des Drehmomentsensors (150) herangezogen wird, wenn es einen Wert aufweist, der innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes (510) liegt.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
7.1 dass das Drehventil (100) Mittel zur Aufzeichnung mindestens eines Werts des Drehmoments aufweist;
7.2 dass das Toleranzband (510) mithilfe eines Drehmomentwerts vorgegeben wird, der vor dem ersten Zeitintervall aufgezeichnet wurde.
8. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
8.1 dass der zeitliche Verlauf des Drehmoments aufgezeichnet wird;
8.2 dass das Durchlaufen des Spiels daran erkannt wird, dass das Drehmoment im zeitlichen
Verlauf einen Abschnitt durchläuft, in dem sich das Drehmoment nicht ändert und innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes (510) liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
9.1 dass das Drehventil (100) Mittel (190) zum Ausgeben einer weiteren Fehlermeldung aufweist und ein weiteres Toleranzband (520) vorgegeben wird; und
9.2 dass die Mittel (190) zum Ausgeben der weiteren Fehlermeldung aktiviert und die weitere
Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn das Drehmoment, das während des Durchlaufens des Spiels der Kupplung gemessen wird, außerhalb des weiteren Toleranzbandes (520) liegt.
10. Stellungsregler zur Regelung der Stellung eines drehbar gelagerten Ventilglieds eines
Drehventils (100), wobei das Drehventil (100) folgende Komponenten aufweist:
10.1 das drehbar gelagerte Ventilglied;
10.2 einen Antrieb (140) zum Öffnen oder Schließen des Drehventils (100) durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds;
10.3 eine zwischen dem Antrieb (140) und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb (140) auf das Ventilglied;
10.3.1 wobei die Kupplung ein Spiel aufweist;
10.4 einen Drehmomentsensor (150),
10.4.1 wobei der Drehmomentsensor (150) zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist; und
10.5 wobei der Stellungsregler mit Mitteln ausgestattet ist, die geeignet sind, die Schritte ei- nes Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche auszuführen.
11. Drehventil (100) mit
11.1 einem drehbar gelagerten Ventilglied;
11.2 einen Antrieb (140) zum Öffnen oder Schließen des Drehventils (100) durch Drehen des drehbar gelagerten Ventilglieds;
11.3 eine zwischen dem Antrieb (140) und dem Ventilglied angeordnete Kupplung zum Übertragen eines Drehmoments vom Antrieb (140) auf das Ventilglied;
11.3.1 wobei die Kupplung ein Spiel aufweist;
11.4 einen Drehmomentsensor (150),
11.4.1 wobei der Drehmomentsensor (150) zum Messen des Drehmoments eingerichtet ist; und
11.5 einem Stellungsregler nach dem vorhergehenden Anspruch.
12. Drehventil (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
12.1 dass das Drehventil (100) zur Übertragung des Drehmoments eine Welle aufweist;
12.1.1 wobei das Drehmoment die Welle tordiert;
12.2 dass der Drehmomentsensor (150) so eingerichtet ist, dass er das Drehmoment anhand der Torsion der Welle misst.
13. Drehventil (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
13.1 dass der Drehmomentsensor (150) zwei Drehwinkelsensoren (240, 250) aufweist;
13.2 dass mindestens ein Drehwinkelsensor antriebsseitig und einer ventilgliedseitig angeordnet ist; und
13.3 dass der Drehmomentsensor (150) so eingerichtet ist, dass er die Torsion der Welle mithilfe der beiden Drehwinkelsensoren (240, 250) misst.
14. Anlage mit einem Drehventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13.
15. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Stellungsregler nach
Anspruch 10 oder ein Drehventil (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 oder eine Anlage nach Anspruch 14 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.
16. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach dem unmittelbar vor- hergehenden Anspruch gespeichert ist.
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