WO2024023354A1 - Vorrichtung für eine armatur der prozessfluidtechnik - Google Patents

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WO2024023354A1
WO2024023354A1 PCT/EP2023/071108 EP2023071108W WO2024023354A1 WO 2024023354 A1 WO2024023354 A1 WO 2024023354A1 EP 2023071108 W EP2023071108 W EP 2023071108W WO 2024023354 A1 WO2024023354 A1 WO 2024023354A1
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conductive elastomer
sealing element
elastomer section
section
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PCT/EP2023/071108
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Michael Klemt
Thomas RÜECK
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Gemü Gebr. Müller Apparatebau Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft
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    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F16K7/12—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm
    • F16K7/126—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm the seat being formed on a rib perpendicular to the fluid line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16K1/18—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps
    • F16K1/22—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps with axis of rotation crossing the valve member, e.g. butterfly valves
    • F16K1/226—Shaping or arrangements of the sealing
    • F16K1/2263—Shaping or arrangements of the sealing the sealing being arranged on the valve seat
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    • F16K37/00—Special means in or on valves or other cut-off apparatus for indicating or recording operation thereof, or for enabling an alarm to be given
    • F16K37/0025—Electrical or magnetic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16K37/0025—Electrical or magnetic means
    • F16K37/0041—Electrical or magnetic means for measuring valve parameters

Definitions

  • the invention relates to a device for a valve in process fluid technology.
  • Tight maintenance schedules and cyclical inspections of process systems are the current state of the art.
  • a device which cooperates with a movable shut-off body of the valve or itself provides the shut-off body, and which comprises a plurality of functional areas; at least one electrically conductive elastomer section associated with the sealing element, which is at least partially assigned to one of the plurality of functional areas; and an operating unit which is set up to operate the electrically conductive elastomer section.
  • the elastomeric property allows the elastomeric section to be arranged in areas that are subject to static or dynamic mechanical stress. By measuring the electrical resistance, different states of the sealing element or fitting can be determined. Additional functions such as heating or a condition of the sealing element can advantageously be provided at slightly increased production costs.
  • the electrically conductive elastomer section is materially connected to the sealing element.
  • the at least one electrically conductive elastomer section alternates static functional area and a dynamically loaded functional area or runs alternately through the static functional area and the dynamically loaded functional area.
  • the position of the electrically conductive elastomer section is advantageously guaranteed by the arrangement in the static functional area.
  • the influence of the flow movements of the elastomer material induced by the mechanical load are reduced by this course and the conductive elastomer section is held in its position.
  • Dynamic changes in the sealing element only become measurable through the section-by-section progression through the dynamic section. This allows the current operating status of the valve to be determined.
  • At least two electrical contacts which are electrically connected to different sections of the electrically conductive elastomer section, are arranged on a narrow side of the sealing element or are led out of the sealing element on a tab projecting from the narrow side.
  • the electrically conductive elastomer section can advantageously be contacted at a single point.
  • a plug connector can be provided that simplifies assembly. It is advantageous that the operating unit is set up to determine a time profile of an electrical resistance of at least a partial section of the electrically conductive elastomer section, and to determine at least one state of the sealing element or the fitting depending on the determined time profile of the electrical resistance.
  • a third electrically conductive elastomer section is arranged at least in sections between a first electrically conductive elastomer section and a second electrically conductive elastomer section, the electrical resistance of which drops more sharply under the action of pressure than the electrical resistance of the first and second elastomer sections.
  • the location of the compression can thus advantageously be determined.
  • the sealing element has an elastomeric, electrically insulating main body to which the at least one electrically conductive elastomer section is materially connected, in particular the at least one electrically conductive elastomer section is glued or vulcanized into the main body.
  • condition of the sealing element can be deduced from the measured electrical resistance. This makes it possible to detect critical wear conditions before the sealing element fails. This enables predictive maintenance and avoids unnecessary changes to the sealing element, which are associated with costly shutdowns of the process system.
  • the operating unit and the electrically conductive elastomer section are set up to supply the electrically conductive elastomer section with electrical energy in such a way that the electrically conductive elastomer section generates thermal energy.
  • the temperature in the area of the sealing element can advantageously be increased via the electrically conductive elastomer section.
  • the static functional area is an outwardly acting clamping section of a sealing element designed as a valve membrane to produce a sealing effect
  • the dynamic functional area comprises a movable flexing area of the valve membrane, which is located within the Clamping section is located and adjoins the clamping section.
  • the operating unit is set up to determine an open state of the valve when it is connected to a
  • Opening movement of the valve associated signal pattern is recognized over time of the electrical resistance.
  • the operating unit is set up to determine a closed state of the valve when a signal pattern associated with a closing movement of the valve is recognized over time in the electrical resistance.
  • the determination of the state is based on a relative change in the electrical resistance.
  • Drift compensation is advantageously provided in order to compensate for the signal level changes that occur when electrically conductive elastomers are subjected to voltage.
  • the operating unit is set up to detect a wear condition of the sealing element when a moving average increases over a predetermined period of time.
  • the electrical resistance of the electrically conductive elastomer section is subject to drift. Specifically, this means that when the said elastomer section is installed, the average value of the resistance value drops over a longer period of time. Wear in the area of the elastomer section becomes noticeable in a drift reversal. Accordingly, the wear can be determined by detecting this drift reversal. A rising moving average indicates this drift reversal.
  • the operating unit is set up to determine at least one multi-dimensional coordinate, which is characterized by an increased pressure load, depending on resistance measurements on the first and second elastomer sections.
  • coordinates can be calculated that are associated with an increased pressure load on the sealing element. This makes it easy to monitor the internal and external tightness during operation.
  • the third electrically conductive elastomer section is assigned to one of the plurality of functional areas, in particular at least 50% within an imaginary assigned functional area
  • the third elastomer section covers this functional area either contiguously or in sections in a contiguous area.
  • the pressure-dependent electrical resistance can therefore only be reduced by pressing on the third elastomer section that covers the functional area. This increases the measurement accuracy because other functional areas are either only partially covered or not covered at all, reducing their influence on the measurement.
  • An advantageous example is characterized in that the operating unit is set up to determine a fault condition associated with the sealing element if the determined coordinate of the pressure load lies outside a predetermined multi-dimensional specification.
  • asymmetrical pressure loads for example, can be detected in a simple manner.
  • the detection of unwanted pressure loads on the sealing element in areas where no pressure load is to be expected can also be easily recognized as an error condition.
  • a second aspect of the description relates to a method for operating at least one electrically conductive
  • the device comprises: a sealing element, which is connected to a shut-off body of the fitting cooperates or itself provides the shut-off body, and which includes a plurality of functional areas; and at least one electrically conductive elastomer section associated with the sealing element, which is at least partially assigned to one of the plurality of functional areas; and wherein the method comprises: operating, by means of an operating unit, the electrically conductive elastomer section.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a device 10 for a fitting 20 of the fluid technology process.
  • a sealing element 100 which in the present case is designed as a membrane and itself provides the shut-off body 32.
  • the sealing element 100 comprises a plurality of functional areas 110, 120 and at least one electrically conductive elastomer section 200 associated with the sealing element 100, which is at least partially assigned to at least one of the plurality of functional areas 110, 120.
  • An operating unit 300 is set up to operate the electrically conductive elastomer section 200.
  • the operating unit 300 and the electrically conductive elastomer section 200 are set up to supply the electrically conductive elastomer section 200 with electrical energy in such a way that the electrically conductive
  • Elastomer section 200 generates thermal energy.
  • Elastomer section 200 comprises an elastomer material to which at least one additive f or Additives such as soot particles or Carbon particles are added.
  • the sealing element 100 has an elastomeric, electrically insulating main body, to which the at least one electrically conductive elastomer section 200 is materially connected; in particular, the at least one electrically conductive elastomer section 200 is glued or vulcanized into the main body.
  • the mechanical stresses acting on the elastomer section 200 designed as a measuring path include tensile, compressive, bending, shear and torsional stresses and are characterized by the action of forces and torques on the assigned functional area 110, 120. They lead to mechanical stresses and deformations of the measuring path and are recorded via the measured resistance of the elastomer section 200 and its course.
  • Figure 2 shows an installation situation of the sealing element 100 designed as a valve membrane from Figure 1 in a fitting 20 designed as a membrane valve.
  • the sealing element 100 is clamped between the valve body 22 and a drive-side body 24.
  • a drive 26 is rigidly connected to the drive-side body 24 via a valve rod 28 with a central section of the sealing element 100 connected in a force-conducting manner and moves the central section along an actuating axis z towards a valve seat 29. from this way.
  • Figures 3 and 4 show a further example of the device 100 using the example of a sealing sleeve as a sealing element 100 for a butterfly valve as a fitting 30.
  • a schematic section AA is shown in Figure 3.
  • the section AA runs along a rotation axis R of a rotatable flap 32 arranged in a fluid channel 34, the flap 32 being arranged within the sealing sleeve and representing the movable shut-off body.
  • the electrically conductive elastomer section 200 runs in a semicircular shape through the dynamically loaded functional area 190.
  • the flap 32 acts on the functional area 190 when closed and during the closing movement.
  • the rigid flap 32 thus ensures internal tightness.
  • An externally accessible opening 192 of the sealing sleeve extends along the circumference of the sealing sleeve and provides a receptacle for a counterpart of a flap body engaging therein.
  • a static functional area 194 of the cuff, which adjoins the dynamically loaded functional area 190 laterally, is not deformed during operation or is deformed to a lesser extent than the dynamically loaded functional area 190 and provides the mechanical connection of the dynamic functional area 190 in the direction of the flap body.
  • Figure 5 shows a schematic exploded view of components of the sealing element 100 designed as a valve membrane from Figures 1 and 2.
  • the electrically conductive elastomer section 200 is connected to the sealing element 100 in a material-locking manner.
  • a drive-side end of a membrane pin 502 is guided through central passage openings of a reinforcement 504 designed as a fabric and an elastomer layer 506 arranged towards a dry side T.
  • the membrane pin 502 provides the mechanical interface to the valve rod and thus connects the valve rod moved along its longitudinal axis by the drive with the internal reinforcement 504.
  • the reinforcement 504 is adjoined by an elastomeric layer 512.
  • the elastomer section 200 is therefore vulcanized together with the remaining insulating membrane layers.
  • the electrically conductive elastomer section 200 is located on the side of the reinforcement that is oriented towards the dry side T.
  • the electrically conductive elastomer section is part of a separate sensor layer, which is arranged on the dry side of the sealing element.
  • Another alternative example provides that the electrically conductive elastomer section is inserted into a recess in the sealing body.
  • the elastomer section 200 is arranged on a side of the reinforcement 504 facing away from the wet side N.
  • the function of the inner sealing area is less affected by the structuring of the membrane caused by the elastomer section 200.
  • Figure 6 shows a section of the sealing element 100 from Figure 5, perpendicular to the actuating axis. It is shown that the at least one electrically conductive elastomer section 200 alternately covers or covers a static functional area 110 and a dynamically loaded functional area 120. runs alternately through the static functional area 110 and the dynamically loaded functional area 120.
  • the statically loaded functional area 110 is an outwardly acting clamping section of a sealing element 100 designed as a valve membrane to produce a sealing effect, the dynamic functional area 120 comprising a movable flexing area of the valve membrane, which is located within the clamping section and adjoins the clamping section.
  • the course of the electrically conductive elastomer section 200 follows a circular ring shape and follows at least a quarter, in particular at least two thirds, in particular at a distance from the circumference of the dynamically loaded functional area 120.
  • the electrically conductive elastomer section runs at least 50%, in particular at least 60% and in particular at least 70% through the dynamic functional area 120.
  • the functional areas 110 and 120 are separated by a sealing boundary or Sealing edge 122 separated from each other.
  • the electrically conductive elastomer section 200 meanders between the statically loaded clamping area and the dynamically loaded clamping area over and along the sealing edge 122.
  • the example shows that at least two electrical contacts 210, 220, which are electrically connected to different sections 212, 220 of the electrically conductive elastomer section 200, are arranged on a narrow side 106 of the sealing element 100 or on a tab 108 projecting from the narrow side 106 are led out of the sealing element 100.
  • a respective connecting electrical line 214, 224 shows on the left a vulcanized sealing element 100 designed as a valve membrane with a recess 702 into which the vulcanized elastomer section 200 is received, for example glued or vulcanized. A surface of the elastomer section 200 can be exposed. The elastomer section 200 is thus connected in sections to the sealing element 100 in a material-locking manner.
  • the recess 702 runs over the static functional area 110 in the direction of the dynamic functional area 120, meanders around the dynamic functional area 120 as shown in Figures 5 and 6, and then reaches the tab 108 again after passing through the static functional area 110 .
  • the recess 702 runs alternately in the functional areas 110 and 120, with the sealing edge 122 being exceeded several times.
  • the course of the electrically conductive elastomer section 200 encloses an angle between 45° and 5°, in particular between 35° and 15°, with an imaginary perpendicular of the sealing edge between the static and the dynamic functional area.
  • the electrically conductive elastomer section 200 therefore advantageously does not run along a heavily stressed area, but rather along the area of the sealing edge that is stressed by tension and pressure in the membrane plane.
  • Figure 8 shows a schematic block diagram of the
  • Operating unit 300 It is shown that the operating unit 300 is set up to determine a time course 900 of the electrical resistance of at least a portion of the electrically conductive elastomer section 200, and to determine at least one state Z of the sealing element 100 or the fitting 20, 30 depending on the determined time course 900 of the electrical resistance .
  • An open state Z of the valve is determined when a first signal pattern associated with an opening movement of the valve is recognized in the time profile 900 of the electrical resistance.
  • At least one data set representing the first signal pattern is determined and stored in advance.
  • a first filter is used to determine the presence of the or determining the temporal position of the first signal pattern or the previously determined signal form is used within the course.
  • the one-time detection of rising or falling edges or a predetermined sequence of rising or falling edges of the course 900 is sufficient to infer the opening movement of the valve.
  • a closed state Z of the valve is determined when a second signal pattern associated with a closing movement of the valve over time 900 the electrical resistance is detected.
  • the first and second signal patterns differ from each other.
  • At least one data set representing the second signal pattern is determined and stored in advance.
  • a second filter is used to determine the presence of the temporal position of the second signal pattern or the previously determined signal form within the course 900 is used.
  • the one-time detection of rising or falling edges or a predetermined sequence of rising or falling edges of the course 900 - which represent the second signal pattern - is sufficient to infer the closing movement.
  • the operating unit 300 is therefore set up to determine the current state Z of the valve using signal processing steps.
  • Figure 9 shows a course 900 of the resistance R of the electrically conductive elastomer section measured using the arrangement from Figure 7.
  • the figure shows that the operating unit is set up to determine an open state of the valve 20, 30 when a rising edge rE in the time course 900 of the electrical resistance exceeds an assigned threshold distance thl.
  • the rising edge rE In the example, occurs within an expected period of time of, for example, 0 to 1 s, in particular between 0.25 and 0.75 seconds, but depends on the size of the diaphragm valve and the drive.
  • the rising edge rE represents the first signal pattern associated with the opening movement of the valve, which is recognized in the course 900.
  • a limit value Go is determined during operation, which characterizes the open state and against which the value of the electrical resistance strives in an open state of the valve. Based on this, for example, the open state can be determined when the resistance is above the limit value Go for a predetermined period of time, for example several seconds.
  • the operating unit 300 is set up to determine a closed state of the valve 20, 30 when a further rising edge rE2 in the time course of the electrical resistance, in particular immediately, follows a falling edge fE.
  • the edges fE and rE2 represent the second signal pattern associated with the closing movement of the valve, which is recognized in the course 900.
  • the previous first limit value Go can be determined for determining the closed state.
  • the value of the resistance remains after the edges fE, rE2 for a predetermined period of time, for example 1-2 seconds, especially with an additional distance below the first limit value G2o, then the state of the valve is determined to be closed.
  • a second limit value Gc can be determined during operation, against which the value of the resistance strives in the closed state.
  • the second limit Gc is smaller than the first limit Go.
  • a predefined function can be used, which determines the respective limit value Gc, Go during operation from the time profile 900 of the resistance. This compensates for the drift inherent in the resistance signal.
  • the course 900 shown in FIG. 9 is linked to the shape of the sealing element 100 from FIG. 7.
  • a different course 900 of the electrical resistance is expected, for which different first and second signal patterns are expected than those described above.
  • Figure 10 shows the course 900 of the electrical resistance over a large number of switching cycles, which is why a bar-shaped representation results in the illustration.
  • the determination of the state is based on a relative change in the electrical resistance.
  • the relative change of the Electrical resistance of the electrically conductive elastomer section is made possible, for example, by forming an average value 900_M of the resistance value over a period of time that includes several closing and opening cycles. The deviations of the resistance signal from this mean value 900_M are then used as the resistance signal for evaluating the condition.
  • the operating unit is set up to detect a wear condition of the sealing element 100 when a moving average in the sense of the mean value 900_M increases over a predetermined period of time, for example between 30 minutes and 3 hours.
  • the moving average in the sense of the mean value 900_M exceeds a drift-compensated threshold 902 at time tl.
  • the threshold 902 follows values of the past average 900_M with a fixed distance of 3-10 k ohms. If the mean value 900_M continues to rise after time tl, at which mean value 900_M reaches the threshold 902, until time t2, then a degradation of the sealing element or the electrically conductive elastomer section is closed.
  • Figure 11 shows in schematic form an embodiment of the sealing element 100 designed as a valve membrane.
  • Two electrically conductive, mutually insulated elastomer sections 200a, 200b follow the outer contour of one Crescent and run in the area of an axially extending sealing section 150. Electrical lines lead from the respective elastomer section 200a, 200b to the electrical contacts 230a, 230b of the respective elastomer section via various taps.
  • the tension of the statically loaded functional area 110 in the assigned subsection of the elastomeric section 200a can be checked via the resistance values measured between the contacts 210al and 210a3, since between the aforementioned taps the elastomeric section 200a passes through the functional area 110 or whose subsection runs. This means that the external tightness can be checked during operation.
  • the contact pressure acting on the seat during operation is characterized. This checks the internal tightness.
  • FIG. 12 shows a schematic perspective view of a section in the functional area 110 or 120 of the sealing element 100 designed as a valve membrane or sealing sleeve.
  • the third electrically conductive Elastomer section 200c is arranged, the electrical resistance of which drops more sharply under pressure than the electrical resistance of the first and second elastomer sections 200a, 200b.
  • the sealing element 100 reacts to pressure, which electrically connects the two electrically conductive elastomer sections 200a, 200b to one another in places via the elastomer section 200c and thus forms a voltage divider on which the electrical resistance is measured in order to determine the coordinate of the pressurization.
  • the operating unit 300 is set up to determine at least one multi-dimensional coordinate, which is characterized by an increased pressure load, depending on resistance measurements on the first and second elastomer sections 200a, 200b.
  • the operating unit 300 is set up to determine an error condition Z associated with the sealing element 100 if the determined coordinate of the pressure load lies outside a predetermined multi-dimensional specification.
  • the error condition Z includes both wear conditions of the sealing element and assembly errors. Furthermore, operating errors such as an obstruction in the fluid channel can also be detected in this way.
  • a voltage is applied, for example, to one of the conductive elastomer sections 200a, 200b. The tension drops from one edge of the elastomer section 200a, 200b to the opposite edge. At the point of the pressure load, the stress level of both elastomer sections 200a, 200b is the same because they are connected there in an electrically conductive manner. Two stresses can be measured between the edge of the second elastomer section 200a and the two opposite edges of the first elastomer section 200a. If the two tensions are equal, the coordinate of the center between the two edges of the first elastomer section 200a is determined. The higher one tension is in relation to the other, the further away the location of the compressive load is from the respective edge.
  • the two elastomer sections 200a, 200b run flat and parallel to one another.
  • the intermediate layer 200c can alternate with electrically insulating sections.
  • the third electrically conductive elastomer section 200c is assigned to one of the plurality of functional areas 110 , 120 , in particular at least 50% lies within an associated boundary imaginary by the assigned functional area 110 , 120 .
  • the arrows pointing towards each other represent increased pressure on the sealing element in this area.
  • the increased pressure increases the conductivity of the third elastomer section 200c in an area 202cL and a current flow occurs.
  • the greater drop in electrical resistance at the same pressure can - in comparison with the first and second elastomer section - be achieved for the third elastomer section, for example by increasing the concentration of the soot particles mixed into the elastomer material. Accordingly, the first and second elastomer sections have a lower concentration of soot particles than the third elastomer section.
  • Figures 13 and 14 show a further example of a sealing element 100 designed as a valve membrane.
  • Figure 13 shows a section BB from Figure 12.
  • First electrically conductive elastomer sections 200i, 200k, 200j run in a first plane and second electrically conductive elastomer sections 200e, 200f, 200g run in a second plane spaced from the first plane.
  • the first and second elastomer sections are linear.
  • the third elastomer section 200c is arranged in intersecting areas between the first elastomer section 200k and the second elastomer section 200 f.
  • the first to third elastomer sections are embedded in an electrically insulating main elastomer body 1300. This arrangement creates discrete areas spaced apart from each other, each of which reacts to pressure. This allows the pressure distribution to be determined better.
  • the electrically conductive elastomer section can also be arranged outside the sealing element 100 in a separate sensor layer or the sealing element cannot have direct media contact, such as in the case of a laminated elastomer membrane with a membrane shield which is in contact with the process medium.
  • the electrically insulating main body has a higher electrical resistance per unit volume than the electrically conductive elastomer section.
  • the measured resistance increases towards infinity. This means that a crack can be measured.
  • the measures presented are intended to help predict this break by determining the condition and initiating an early replacement of the membrane.

Abstract

Die Beschreibung betrifft: Eine Vorrichtung (10) für eine Armatur (20, 30) der Prozessfluidtechnik umfassend: ein Dichtelement (100), welches mit einem beweglichen Absperrkörper (32) der Armatur (20, 30) zusammenwirkt oder selbst den Absperrkörper bereitstellt, und welches eine Mehrzahl von Funktionsbereichen (110, 120) umfasst; wenigstens einen mit dem Dichtelement (100) assoziierten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt (200), welcher zumindest abschnittsweise einem der Mehrzahl von Funktionsbereichen (110, 120) zugeordnet ist; und eine Betriebseinheit (300), welche zum Betreiben des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts (200) eingerichtet ist.

Description

Titel : Vorrichtung für eine Armatur der
Prozessfluidtechnik
Beschreibung
Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung für eine Armatur der Prozess fluidtechnik .
Enge Wartungspläne und zyklisch erfolgende Kontrollen von Prozessanlagen sind derzeitiger Stand der Technik .
Die Probleme des Standes der Technik werden gelöst durch : Eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß einem nebengeordneten unabhängigen Anspruch . Ein erster Aspekt der Beschreibung betri f ft eine Armatur der Prozess fluidtechnik umfassend : ein Dichtelement , welches mit einem beweglichen Absperrkörper der Armatur zusammenwirkt oder selbst den Absperrkörper bereitstellt , und welches eine Mehrzahl von Funktionsbereichen umfasst ; wenigstens einen mit dem Dichtelement assoziierten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt , welcher zumindest abschnittsweise einem der Mehrzahl von Funktionsbereichen zugeordnet ist ; und eine Betriebseinheit , welche zum Betreiben des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts eingerichtet ist .
Die elastomere Eigenschaft erlaubt es , den Elastomerabschnitt in Bereichen anzuordnen, die einer statischen oder dynamischen mechanischen Beanspruchung unterliegen . Über die Messung des elektrischen Widerstands lassen sich verschiedene Zustände des Dichtelements oder der Armatur bestimmen . Vorteilhaft können Zusatz funktionen wie beispielsweise eine Hei zung oder ein Zustand des Dichtelements unter geringfügig erhöhten Produktionskosten bereitgestellt werden .
Vorteile werden dadurch erzielt , dass der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt mit dem Dichtelement materialschlüssig verbunden ist .
Vorteilhaft wird so die Montage vereinfacht .
Es ist beispielsweise von Vorteil , dass der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt abwechselnd einen statischen Funktionsbereich und einen dynamisch belasteten Funktionsbereich überdeckt oder abwechselnd durch den statischen Funktionsbereich und den dynamisch belasteten Funktionsbereich verläuft .
Vorteilhaft wird die Position des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt über die Anordnung im statischen Funktionsbereich gewährleistet . Der Einfluss der durch die mechanische Belastung induzierten Fließbewegungen des Elastomermaterials werden durch diesen Verlauf reduziert und der leitfähige Elastomerabschnitt wird an seiner Position gehalten . Durch den abschnittsweisen Verlauf durch den dynamischen Abschnitt werden dynamische Veränderungen des Dichtelements erst messbar . So kann der aktuelle Betriebs zustand der Armatur ermittelt werden .
Zum Beispiel ist es von Vorteil , dass zumindest zwei elektrische Kontakte , welche mit unterschiedlichen Abschnitten des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt elektrisch leitend verbunden sind, an einer Schmalseite des Dichtelements angeordnet sind oder an einer von der Schmalseite abragenden Lasche aus dem Dichtelement herausgeführt sind .
Vorteilhaft ist der elektrisch leitende Elastomerabschnitt an einer einzigen Stelle kontaktierbar . Beispielsweise kann ein Steckverbinder vorgesehen werden, der die Montage vereinfacht . Es ist von Vorteil , dass die Betriebseinheit dazu eingerichtet ist , einen zeitlichen Verlauf eines elektrischen Widerstands zumindest eines Teilabschnitts des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts zu ermitteln, und wenigstens einen Zustand des Dichtelements oder der Armatur in Abhängigkeit von dem ermittelten zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands zu ermitteln .
Vorteilhaft ist zum Beispiel , dass zwischen einem ersten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt und einem zweiten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt zumindest abschnittsweise ein dritter elektrisch leitfähiger Elastomerabschnitt angeordnet ist , dessen elektrischer Widerstand unter Druckeinwirkung stärker abfällt als der elektrische Widerstand des ersten und zweiten Elastomerabschnitts .
Vorteilhaft kann somit der Ort der Komprimierung ermittelt werden .
Von Vorteil ist zum Beispiel , dass das Dichtelement einen elastomeren elektrisch isolierenden Hauptkörper aufweist , mit welchem der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt materialschlüssig verbunden ist , insbesondere ist der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt in den Hauptkörper eingeklebt oder einvulkanisiert .
Vorteilhaft ist der elektrisch leitfähige
Elastomerabschnitt in das Dichtelement integriert und die Montage wird im Vergleich mit einer mehrteiligen Aus führung vereinfacht .
Vorteilhaft kann über den gemessenen elektrischen Widerstand auf den Zustand des Dichtelements geschlossen werden . Dadurch wird es ermöglicht , kritische Verschleiß zustände vor einem Versagen des Dichtelements zu erkennen . Damit wird eine vorausschauende Wartung ermöglicht und unnötige Wechsel des Dichtelements , die mit kostenintensiven Stilllegungen der Prozessanlage einhergehen, werden vermieden .
Es ist beispielsweise vorteilhaft , dass die Betriebseinheit und der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt dazu eingerichtet sind, den elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt derart mit elektrischer Energie zu versorgen, dass der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt thermische Energie erzeugt .
Vorteilhaft kann über den elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt die Temperatur im Bereich des Dichtelements erhöht werden .
Vorteile werden dadurch erzielt , dass der statische Funktionsbereich ein zur Herstellung einer Dichtwirkung nach außen wirkender Spannabschnitt eines als Ventilmembran ausgebildeten Dichtelements ist , und wobei der dynamische Funktionsbereich einen beweglichen Walkbereich der Ventilmembran umfasst , welcher sich innerhalb des Spannabschnitts befindet und sich an den Spannabschnitt anschließt .
So ist es zum Beispiel von Vorteil , dass die Betriebseinheit dazu eingerichtet ist , einen geöf fneten Zustand der Armatur zu ermitteln, wenn ein mit einer
Öf fnungsbewegung der Armatur assoziiertes Signalmuster im zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands erkannt wird .
Zum Beispiel ist es von Vorteil , dass die Betriebseinheit dazu eingerichtet ist , einen geschlossenen Zustand der Armatur zu ermitteln, wenn ein mit einer Schließbewegung der Armatur assoziiertes Signalmuster im zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands erkannt wird .
So ist es in einem weiteren Beispiel von Vorteil , dass bei der Ermittlung des Zustandes eine relative Änderung des elektrischen Widerstands zugrunde gelegt wird .
Vorteilhaft wird so eine Dri ftkompensation bereitgestellt , um die bei Spannungsbelastungen von elektrisch leitfähigen Elastomeren auftretenden Signalniveauänderungen zu kompensieren .
Zum Beispiel ist es von Vorteil , dass die Betriebseinheit dazu eingerichtet ist , einen Verschleiß-Zustand des Dichtelements zu erkennen, wenn ein gleitender Durchschnitt über einen vorab festgelegten Zeitraum ansteigt . Der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Elastomerabschnitts unterliegt einer Dri ft . Konkret bedeutet das , dass in einem verbauten Zustand des genannten Elastomerabschnitts der Mittelwert des Widerstandswerts über eine längere Zeitdauer absinkt . Ein Verschleiß im Bereich des Elastomerabschnitts macht sich in einer Dri ftumkehr bemerkbar . Entsprechend kann der Verschleiß über die Detektion dieser Dri ftumkehr ermittelt werden . Ein steigender gleitender Durchschnitt indi ziert diese Dri ftumkehr .
Von Vorteil ist zum Beispiel , dass die Betriebseinheit eingerichtet ist , um in Abhängigkeit von Widerstandsmessungen am ersten und zweiten Elastomerabschnitt wenigstens eine mehrdimensionale Koordinate , welche durch eine erhöhte Druckbelastung charakterisiert ist , zu ermitteln .
Vorteilhaft können so Koordinaten errechnet werden, die mit einer erhöhten Druckbelastung des Dichtelements einhergehen . Damit ist es auf einfache Art und Weise möglich, auch im Betrieb die Dichtheit nach innen und nach außen zu überwachen .
Zum Beispiel ist es von Vorteil , dass der dritte elektrische leitfähige Elastomerabschnitt einem der Mehrzahl von Funktionsbereichen zugeordnet ist , insbesondere zu wenigstens 50% innerhalb einer durch den zugeordneten Funktionsbereich gedachten zugeordneten
Begrenzung liegt . Durch die Zuordnung zu einem Funktionsbereich überdeckt der dritte Elastomerabschnitt diesen Funktionsbereich entweder zusammenhängend oder abschnittsweise in einem zusammenhängenden Bereich . Der druckabhängige elektrische Widerstand kann also nur durch ein Drücken auf den dritten Elastomerabschnitt , der den Funktionsbereich überdeckt , reduziert werden . Dadurch erhöht sich die Messgenauigkeit , da andere Funktionsbereiche entweder nur zum Teil oder gar nicht überdeckt werden, wodurch deren Einfluss auf die Messung reduziert wird .
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus , dass die Betriebseinheit eingerichtet ist , um einen mit dem Dichtelement assoziierten Fehlerzustand zu ermitteln, wenn die ermittelte Koordinate der Druckbelastung außerhalb einer vorgegebenen mehrdimensionalen Vorgabe liegt .
Vorteilhaft können so auf einfache Art und Weise beispielsweise unsymmetrische Druckbelastungen erkannt werden . Auch die Erkennung von ungewollten Druckbelastungen des Dichtelements in Bereichen, in denen keine Druckbelastung zu erwarten ist , kann so als Fehlerzustand auf einfache Art und Weise erkannt werden .
Ein zweiter Aspekt der Beschreibung betri f ft ein Verfahren zum Betreiben wenigstens eines elektrisch leitfähigen
Elastomerabschnitts einer Vorrichtung für eine Armatur der
Prozess fluidtechnik, wobei die Vorrichtung umfasst : ein Dichtelement , welches mit einem Absperrkörper der Armatur zusammenwirkt oder selbst den Absperrkörper bereitstellt , und welches eine Mehrzahl von Funktionsbereichen umfasst ; und wenigstens einen mit dem Dichtelement assoziierten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt , welcher zumindest abschnittsweise einem der Mehrzahl von Funktionsbereichen zugeordnet ist ; und wobei das Verfahren umfasst : Betreiben, mittels einer Betriebseinheit , des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts .
Im Folgenden wird auf die Figuren Bezug genommen .
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 10 für eine Armatur 20 der Prozess fluidtechnik . Diese umfasst : ein Dichtelement 100 , welches vorliegend als Membran ausgebildet selbst den Absperrkörper 32 bereitstellt . Das Dichtelement 100 umfasst eine Mehrzahl von Funktionsbereichen 110 , 120 und wenigstens einen mit dem Dichtelement 100 assoziierten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt 200 , welcher zumindest abschnittsweise wenigstens einem der Mehrzahl von Funktionsbereichen 110 , 120 zugeordnet ist . Eine Betriebseinheit 300 ist zum Betreiben des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts 200 eingerichtet .
Ein Beispiel ist darauf gerichtet , dass die Betriebseinheit 300 und der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 dazu eingerichtet sind, den elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt 200 derart mit elektrischer Energie zu versorgen, dass der elektrisch leitfähige
Elastomerabschnitt 200 thermische Energie erzeugt . Der wenigstens eine elektrisch leitfähige
Elastomerabschnitt 200 umfasst ein Elastomermaterial , welchem zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit wenigstens ein Zusatzstof f bzw . Zuschlagstof f wie beispielsweise Rußpartikel bzw . Kohlenstof fpartikel beigemengt ist .
Das Dichtelement 100 weist einen elastomeren elektrisch isolierenden Hauptkörper auf , mit welchem der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 materialschlüssig verbunden ist , insbesondere ist der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 in den Hauptkörper eingeklebt oder einvulkanisiert .
Die auf den als Messpfad ausgebildeten Elastomerabschnitt 200 wirkenden mechanischen Beanspruchungen umfassen Zug- , Druck- , Biegungs- , Schub- und Torsionsbeanspruchungen und sind durch das Einwirken von Kräften und Drehmomenten auf den zugeordneten Funktionsbereich 110 , 120 gekennzeichnet . Sie führen zu mechanischen Spannungen sowie Verformungen des Messpfads und werden über den gemessenen Widerstand des Elastomerabschnitts 200 und dessen Verlauf erfasst .
Figur 2 zeigt eine Verbausituation des als Ventilmembran ausgebildeten Dichtelements 100 aus Figur 1 in einer als Membranventil ausgebildeten Armatur 20 . Das Dichtelement 100 ist zwischen dem Ventilkörper 22 und einem antriebsseitigen Körper 24 verspannt . Ein mit dem antriebsseitigen Körper 24 starr verbundener Antrieb 26 ist über eine Ventilstange 28 mit einem zentralen Abschnitt des Dichtelements 100 kraftführend verbunden und bewegt den zentralen Abschnitt entlang einer Stellachse z auf einen Ventilsitz 29 zu bzw . von diesem weg .
Figuren 3 und 4 zeigen ein weiteres Beispiel für die Vorrichtung 100 am Beispiel einer Dichtmanschette als Dichtelement 100 für eine Absperrklappe als Armatur 30 . Für die übrigen Merkmale wird auf die Figuren 1 und 2 verwiesen . Ein schematischer Schnitt A-A ist in Figur 3 gezeigt . Entlang einer Rotationsachse R einer in einem Fluidkanal 34 angeordneten rotierbaren Klappe 32 verläuft der Schnitt A-A, wobei die Klappe 32 innerhalb der Dichtmanschette angeordnet ist und den beweglichen Absperrkörper repräsentiert . Im Unterschied zur Figur 1 verläuft der elektrisch leitende Elastomerabschnitt 200 einer Halbkreis form folgend durch den dynamisch belasteten Funktionsbereichs 190 . Auf den Funktionsbereich 190 wirkt im geschlossenen Fall und während der Schließbewegung die Klappe 32 . Die starre Klappe 32 bewirkt so die innere Dichtheit . Eine von außen zugängliche Öf fnung 192 der Dichtmanschette erstreckt sich entlang des Umfangs der Dichtmanschette und stellt eine Aufnahme für ein darin eingrei fendes Gegenstück eines Klappenkörpers bereit . Ein statischer Funktionsbereich 194 der Manschette , welcher sich lateral an den dynamisch belasteten Funktionsbereich 190 anschließt , wird während des Betriebs nicht verformt oder weniger stark verformt als der dynamisch belastete Funktionsbereich 190 und stellt die mechanische Verbindung des dynamischen Funktionsbereichs 190 in Richtung des Klappenkörpers her .
Figur 5 zeigt in einer schematischen Explosionsansicht Komponenten des als Ventilmembran ausgebildeten Dichtelements 100 aus den Figuren 1 und 2 . Nachfolgend wird sich obschon der visuellen Darstellung vor der Vulkanisation auf die Ausprägung des Dichtelements 100 als vulkanisierte Membran bezogen . Der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 ist mit dem Dichtelement 100 materialschlüssig verbunden .
Ein antriebsseitiges Ende eines Membranpins 502 ist im vorliegenden Beispiel nach der Vulkanisation durch zentrale Durchgangsöf fnungen einer als Gewebe ausgebildeten Armierung 504 und einer zu einer Trockenseite T hin angeordnete Elastomerlage 506 geführt . Der Membranpin 502 stellt die mechanische Schnittstelle zur Ventilstange bereit und verbindet damit die entlang ihrer Längsachse vom Antrieb bewegte Ventilstange mit der innenliegenden Armierung 504 . Zur Nassseite N hin schließt sich an die Armierung 504 eine elastomere Lage 512 an . Der Elastomerabschnitt 200 wird also gemeinsam mit den übrigen isolierend ausgeführten Membranlagen vulkanisiert . Der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 befindet sich auf der zur Trockenseite T hin orientierten Seite der Armierung .
Alternativ zu der gezeigten materialschlüssigen Verbindung ist der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt Teil einer separaten Sensorlage , welche auf der Trockenseite des Dichtelements angeordnet ist . Ein weiteres alternatives Beispiel sieht vor, dass der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt in eine Ausnehmung des Dichtkörpers eingelegt wird .
Der Elastomerabschnitt 200 ist auf einer von der Nassseite N abgewandten Seite der Armierung 504 angeordnet .
Vorteilhaft wird dadurch die Funktion des inneren Dichtbereichs weniger durch die durch den Elastomerabschnitt 200 verursachte Strukturierung der Membran beeinträchtigt .
Figur 6 zeigt einen zur Stellachse lotrechten Schnitt des Dichtelements 100 aus Figur 5 . Gezeigt ist , dass der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 abwechselnd einen statischen Funktionsbereich 110 und einen dynamisch belasteten Funktionsbereich 120 überdeckt bzw . abwechselnd durch den statischen Funktionsbereich 110 und den dynamisch belasteten Funktionsbereich 120 verläuft .
Der statisch belastete Funktionsbereich 110 ist ein zur Herstellung einer Dichtwirkung nach außen wirkender Spannabschnitt eines als Ventilmembran ausgebildeten Dichtelements 100 , wobei der dynamische Funktionsbereich 120 einen beweglichen Walkbereich der Ventilmembran umfasst , welcher sich innerhalb des Spannabschnitts befindet und sich an den Spannabschnitt anschließt . Der Verlauf des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts 200 folgt einer Kreisringform und folgt zumindest zu einem Viertel , insbesondere zu zumindest zwei Dritteln insbesondere in einem Abstand dem Umfang des dynamisch belasteten Funktionsbereichs 120 . Der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitts verläuft zu zumindest 50% , insbesondere zu zumindest 60% und insbesondere zu zumindest 70% durch den dynamischen Funktionsbereich 120 .
Die Funktionsbereiche 110 und 120 sind durch eine Dichtgrenze bzw . Dichtkante 122 voneinander getrennt .
Im Falle der Membran mäandert der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 also zwischen dem statisch belasteten Spannbereich und dem dynamisch belasteten Spannbereich über und entlang der Dichtkante 122 .
Im Beispiel ist gezeigt , dass zumindest zwei elektrische Kontakte 210 , 220 , welche mit unterschiedlichen Abschnitten 212 , 220 des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt 200 elektrisch leitend verbunden sind, an einer Schmalseite 106 des Dichtelements 100 angeordnet oder an einer von der Schmalseite 106 abragenden Lasche 108 aus dem Dichtelement 100 herausgeführt sind .
Zwischen dem j eweiligen Kontakt 210 , 220 und dem zugeordneten Abschnitt 212 , 220 des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts 200 befindet sich eine j eweilige verbindende elektrische Leitung 214 , 224 . Figur 7 zeigt linkerhand ein als Ventilmembran ausgebildetes vulkanisiertes Dichtelement 100 mit einer Ausnehmung 702 , in welche der vulkanisierte Elastomerabschnitt 200 aufgenommen wird, beispielsweise eingeklebt oder einvulkanisiert wird . Hierbei kann eine Oberfläche des Elastomerabschnitts 200 freiliegen . Damit ist der Elastomerabschnitt 200 abschnittsweise materialschlüssig mit dem Dichtelement 100 verbunden . Ausgehend von der Lasche 108 verläuft die Ausnehmung 702 über den statischen Funktionsbereich 110 in Richtung des dynamischen Funktionsbereichs 120 , umläuft wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt , mäandernd den dynamischen Funktionsbereich 120 , und erreicht anschließend nach Durchlaufen des statischen Funktionsbereichs 110 wieder die Lasche 108 . Die Ausnehmung 702 verläuft abwechselnd in den Funktionsbereichen 110 und 120 , wobei die Dichtkante 122 mehrfach überschritten wird .
Der Verlauf des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts 200 schließt mit einer gedachten Lotrechten der Dichtkante zwischen dem statischen und dem dynamischen Funktionsbereich einen Winkel zwischen 45 ° und 5 ° , insbesondere zwischen von 35 ° und 15 ° ein . Der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200 verläuft damit vorteilhaft nicht entlang eines stark beanspruchten Bereichs , sondern vielmehr entlang des durch Zug und Druck in der Membranebene belasteten Bereichs der Dichtkante .
Figur 8 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der
Betriebseinheit 300 . Gezeigt ist , dass die Betriebseinheit 300 dazu eingerichtet ist , einen zeitlichen Verlauf 900 des elektrischen Widerstands zumindest eines Teilabschnitts des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts 200 zu ermitteln, und wenigstens einen Zustand Z des Dichtelements 100 oder der Armatur 20 , 30 in Abhängigkeit von dem ermittelten zeitlichen Verlauf 900 des elektrischen Widerstands zu ermitteln .
Ein geöf fneter Zustand Z der Armatur wird dann ermittelt , wenn ein mit einer Öf fnungsbewegung der Armatur assoziiertes erstes Signalmuster im zeitlichen Verlauf 900 des elektrischen Widerstands erkannt wird .
Zur Erkennung des ersten Signalmusters im zeitlichen Verlauf 900 wird beispielsweise wenigstens ein das erste Signalmuster repräsentierender Datensatz vorab ermittelt und abgespeichert . Ein erster Filter wird zur Ermittlung des Vorhandenseins der bzw . der Ermittlung der zeitlichen Lage des ersten Signalmusters bzw . der vorab ermittelten Signal form innerhalb des Verlaufs genutzt .
In einem anderen Beispiel reichen die einmalige Detektion von steigenden oder sinkenden Flanken oder einer vorab bestimmten Abfolge steigender oder sinkender Flanken des Verlaufs 900 aus , um auf die Öf fnungsbewegung der Armatur zu schließen .
Ein geschlossener Zustand Z der Armatur wird dann ermittelt , wenn ein mit einer Schließbewegung der Armatur assoziiertes zweites Signalmuster im zeitlichen Verlauf 900 des elektrischen Widerstands erkannt wird . Das erste und das zweite Signalmuster unterscheiden sich voneinander .
Zur Erkennung des zweiten Signalmusters im zeitlichen Verlauf 900 wird beispielsweise wenigstens ein das zweite Signalmuster repräsentierender Datensatz vorab ermittelt und abgespeichert . Ein zweiter Filter wird zur Ermittlung des Vorhandenseins der zeitlichen Lage des zweiten Signalmusters bzw . der vorab ermittelten Signal form innerhalb des Verlaufs 900 genutzt .
In einem anderen Beispiel reichen die einmalige Detektion von steigenden oder sinkenden Flanken oder einer vorab bestimmten Abfolge steigender oder sinkender Flanken des Verlaufs 900 - welche das zweite Signalmuster repräsentieren - aus , um auf die Schließbewegung zu schließen .
Die Betriebseinheit 300 ist also dazu eingerichtet , zum mittels Signalverarbeitungs-Schritten den aktuellen Zustand Z der Armatur zu ermitteln .
Figur 9 zeigt einen mittels der Anordnung aus Figur 7 gemessenen Verlauf 900 des Widerstands R des elektrisch leitenden Elastomerabschnitts . Die Figur zeigt , dass die Betriebseinheit dazu eingerichtet ist , einen geöf fneten Zustand der Armatur 20 , 30 zu ermitteln, wenn eine steigende Flanke rE im zeitlichen Verlauf 900 des elektrischen Widerstandes einen zugeordneten Schwellenabstand thl überschreitet . Die steigende Flanke rE tritt im Beispiel innerhalb einer erwarteten Zeitspanne von beispielsweise 0 bis 1 s , insbesondere zwischen 0 , 25 und 0 , 75 Sekunden auf , ist aber von der Baugröße des Membranventils sowie vom Antrieb abhängig . Die steigende Flanke rE repräsentiert das erste mit der Öf fnungsbewegung der Armatur assoziierte Signalmuster, welches im Verlauf 900 erkannt wird .
Zusätzlich oder alternativ wird ein Grenzwert Go während des Betriebs ermittelt , der den geöf fneten Zustand charakterisiert und gegen den der Wert des elektrischen Widerstands in einem geöf fneten Zustand der Armatur strebt . Ausgehend davon kann beispielsweise der geöf fnete Zustand ermittelt werden, wenn der Widerstand sich für einen vorbestimmten Zeitraum, beispielsweise von mehreren Sekunden, oberhalb des Grenzwerts Go befindet .
Die Betriebseinheit 300 ist dazu eingerichtet , einen geschlossenen Zustand der Armatur 20 , 30 zu ermitteln, wenn eine weitere steigende Flanke rE2 im zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstandes , insbesondere unmittelbar, auf eine fallende Flanke fE folgt . Die Flanken fE und rE2 repräsentieren das zweite mit der Schließbewegung der Armatur assoziierte Signalmuster, welches im Verlauf 900 erkannt wird .
Zusätzlich oder alternativ kann der vorige erste Grenzwert Go für die Ermittlung des geschlossenen Zustands ermittelt werden . Verweilt der Wert des Widerstands nach den Flanken fE , rE2 für einen vorbestimmten Zeitraum von beispielsweise 1-2 Sekunden insbesondere mit einem zusätzlichen Abstand unterhalb des ersten Grenzwerts G2o , dann wird der Zustand der Armatur als geschlossen ermittelt .
Zusätzlich oder alternativ kann ein zweiter Grenzwert Gc im Betrieb ermittelt werden, gegen den der Wert des Widerstands im geschlossenen Zustand strebt . Der zweite Grenzwert Gc ist kleiner als der erste Grenzwert Go .
Zur Ermittlung des ersten und/oder zweiten Grenzwerts Gc, Go kann eine vorab festgelegte Funktion verwendet werden, welche aus dem zeitlichen Verlauf 900 des Widerstandes den j eweiligen Grenzwert Gc, Go im Betrieb ermittelt . Damit wird die dem Signal des Widerstands innewohnende Dri ft kompensiert .
Der in Figur 9 gezeigte Verlauf 900 ist mit der Ausprägung des Dichtelements 100 aus Figur 7 verknüpft . Entsprechend wird für andere geometrische Ausprägungen des Verlaufs des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts 200 ein anderer Verlauf 900 des elektrischen Widerstands erwartet , für welchen andere erste und zweite Signalmuster erwartet werden als die vorab beschriebenen .
Figur 10 zeigt den Verlauf 900 des elektrischen Widerstands über eine Viel zahl von Schaltspielen hinweg, weshalb sich in der Darstellung eine balkenförmige Darstellung ergibt . Zum Beispiel wird gezeigt , dass bei der Ermittlung des Zustandes eine relative Änderung des elektrischen Widerstands zugrunde gelegt wird . Die relative Änderung des elektrischen Widerstandes des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts wird beispielsweise durch Bildung eines Mittelwerts 900_M des Widerstandswerts über einen Zeitraum ermöglicht , der mehrere Schließ- und Öf fnungs zyklen umfasst . Die Abweichungen des Widerstandssignals von diesem Mittelwert 900_M werden dann als Widerstandssignal für die Bewertung des Zustands verwendet .
Zum Beispiel ist gezeigt , dass die Betriebseinheit dazu eingerichtet ist , einen Verschleiß-Zustand des Dichtelements 100 zu erkennen, wenn ein gleitender Durchschnitt im Sinne des Mittelwerts 900_M über einen vorab festgelegten Zeitraum von beispielsweise zwischen 30 Minuten und 3 Stunden ansteigt .
Der gleitende Durchschnitt im Sinne des Mittelwerts 900_M übersteigt eine dri ftkompensiert ermittelte Schwelle 902 zum Zeitpunkt tl . Beispielsweise folgt die Schwelle 902 Werten des Mittelwerts 900_M aus der Vergangenheit mit einem festgelegten Abstand von 3- 10 k Ohm . Steigt der Mittelwert 900_M nach dem Zeitpunkt tl , zu dem Mittelwert 900_M die Schwelle 902 erreicht , bis zum Zeitpunkt t2 weiter an, so wird auf eine Degradierung des Dichtelements bzw . des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts geschlossen .
Figur 11 zeigt in schematischer Form eine Aus führungs form des als Ventilmembran ausgebildeten Dichtelement 100 . Zwei elektrisch leitfähige , voneinander isolierte Elastomerabschnitte 200a, 200b folgen der Außenkontur eines Halbmondes und verlaufen im Bereich eines axial verlaufenden Dichtabschnitts 150 . Über verschiedene Abgri f fe führen elektrische Leitungen von dem j eweiligen Elastomerabschnitt 200a, 200b zu den elektrischen Kontakten 230a, 230b des j eweiligen Elastomerabschnitts .
So lassen sich beispielsweise über die zwischen den Kontakten 210al und 210a3 gemessenen Widerstandswerte die Verspannung des statisch belasteten Funktionsbereichs 110 im zugeordneten Unterabschnitt des Elastomerabschnitts 200a überprüfen, da zwischen den vorgenannten Abgri f fen der Elastomerabschnitt 200a durch den Funktionsbereich 110 bzw . dessen Unterabschnitt verläuft . Damit kann im Betrieb die Dichtheit nach außen überprüft werden .
Mittels einer oder mehrerer Widerstandsmessungen zwischen den Kontakten 230b2 und 230b4 wird die sich beispielsweise die auf den Sitz wirkende Anpresskraft während des Betriebs charakterisiert . Damit wird die Dichtheit nach innen überprüft .
Figur 12 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt im Funktionsbereich 110 oder 120 des als Ventilmembran oder Dichtmanschette ausgebildeten Dichtelements 100 .
Es ist abgebildet , dass zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt 200a und dem zweiten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt 200b zumindest abschnittsweise der dritte elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt 200c angeordnet ist , dessen elektrischer Widerstand unter Druckeinwirkung stärker abfällt als der elektrische Widerstand des ersten und zweiten Elastomerabschnitts 200a, 200b .
Das Dichtelement 100 reagiert auf Druck, der die zwei elektrisch leitende Elastomerabschnitte 200a, 200b stellenweise über den Elastomerabschnitt 200c elektrisch leitend miteinander verbindet und so einen Spannungsteiler bildet , an dem der elektrische Widerstand gemessen wird, um die Koordinate der Druckbeaufschlagung zu bestimmen .
Beispielsweise ist gezeigt , dass die Betriebseinheit 300 eingerichtet ist , um in Abhängigkeit von Widerstandsmessungen am ersten und zweiten Elastomerabschnitt 200a, 200b wenigstens eine mehrdimensionale Koordinate , welche durch eine erhöhte Druckbelastung charakterisiert ist , zu ermitteln .
Die Betriebseinheit 300 ist eingerichtet , um einen mit dem Dichtelement 100 assoziierten Fehlerzustand Z zu ermitteln, wenn die ermittelte Koordinate der Druckbelastung außerhalb einer vorgegebenen mehrdimensionalen Vorgabe liegt .
Der Fehlerzustand Z umfasst sowohl Verschleiß zustände des Dichtelements als auch Montagefehler . Weitergehend können auch Betriebs fehler wie beispielsweise ein Störkörper im Fluidkanal auf diese Art und Weise erkannt werden . Um die Koordinate der Druckbelastung zu ermitteln, wird beispielsweise an einer der leitfähigen Elastomerabschnitte 200a, 200b eine Spannung angelegt . Die Spannung fällt von einem Rand des Elastomerabschnitts 200a, 200b zum gegenüberliegenden Rand hin ab . An der Stelle der Druckbelastung ist die das Spannungsniveau beider Elastomerabschnitte 200a, 200b gleich, weil sie dort elektrisch leitend verbunden sind . Zwischen dem Rand des zweiten Elastomerabschnitts 200a und den beiden gegenüberliegenden Rändern des ersten Elastomerabschnitts 200a sind zwei Spannungen messbar . Wenn die beiden Spannungen gleich sind, so wird die Koordinate der Mitte zwischen den beiden Rändern des ersten Elastomerabschnitts 200a ermittelt . Je höher eine Spannung im Verhältnis zur anderen ist , desto weiter ist der Ort der Druckbelastung vom j eweiligen Rand entfernt .
Die beiden Elastomerabschnitte 200a, 200b verlaufen flächig und parallel zueinander . Die Zwischenschicht 200c hingegen kann sich mit elektrisch isolierenden Abschnitten abwechseln .
Es ist dargestellt , dass der dritte elektrische leitfähige Elastomerabschnitt 200c einem der Mehrzahl von Funktionsbereichen 110 , 120 zugeordnet ist , insbesondere zu wenigstens 50% innerhalb einer durch den zugeordneten Funktionsbereich 110 , 120 gedachten zugeordneten Begrenzung liegt . Die aufeinander gerichteten Pfeile repräsentieren einen erhöhten Druck auf das Dichtelement in diesem Bereich . Durch den erhöhten Druck wird die Leitfähigkeit des dritten Elastomerabschnitts 200c in einem Bereich 202cL erhöht und es kommt zu einem Stromfluss . Damit ergeben sich in den schicht förmig verlaufenden Elastomerabschnitten 200a, 200b die schematisch dargestellten Widerstände Ra2 , Ra4 und Rbl , Rb3 .
Der stärkere Abfall des elektrischen Widerstands bei gleichem Druck kann - im Vergleich mit dem ersten und zweiten Elastomerabschnitt - für den dritten Elastomerabschnitt beispielsweise durch die Erhöhung der Konzentration der dem Elastomermaterial beigemischen Rußpartikel erreicht werden . Entsprechend weisen der erste und zweite Elastomerabschnitt eine geringere Konzentration an Rußpartikeln auf als der dritte Elastomerabschnitt .
Figuren 13 und 14 zeigen ein weiteres Beispiel eines als Ventilmembran ausgebildeten Dichtelements 100 . Figur 13 zeigt einen Schnitt B-B aus Figur 12 . Erste elektrisch leitfähige Elastomerabschnitte 200i , 200k, 200j verlaufen in einer ersten Ebene und zweite elektrisch leitfähige Elastomerabschnitte 200e , 200 f , 200g verlaufen in einer zweiten von der ersten Ebene beabstandeten Ebene . Die ersten und zweiten Elastomerabschnitte verlaufen linienförmig . In sich überkreuzenden Bereichen ist zwischen dem ersten Elastomerabschnitt 200k und dem zweiten Elastomerabschnitt 200 f der dritte Elastomerabschnitt 200c angeordnet . Die ersten bis dritten Elastomerabschnitte sind in einem elektrisch isolierenden Haupt-Elastomerkörper 1300 eingebettet . Durch diese Anordnung werden voneinander beabstandete diskrete Bereiche geschaf fen, die j eweils auf Druck reagieren . So kann die Druckverteilung besser ermittelt werden .
Selbstverständlich sind neben den gezeigten Verläufen des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts auch andere Verlaufs formen wie beispielsweise eine Wellenform, eine Spiral form oder andere Formen denkbar .
Des Weiteren kann der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt auch außerhalb des Dichtelements 100 in einer separaten Sensorlage angeordnet sein oder das Dichtelement keinen direkten Medienkontakt haben wie beispielsweise bei einer kaschierten Elastomermembran mit einem Membranschild, welches mit dem Prozessmedium in Kontakt steht .
Der elektrisch isolierende Hauptkörper weist einen höheren elektrischen Widerstand pro Volumeneinheit auf als der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt .
Bricht der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt , dann steigt der gemessene Widerstand in Richtung unendlich . Damit ist ein Riss messbar . Die vorgestellten Maßnahmen sollen einen Beitrag dazu leisten, diesen Bruch durch eine Zustandsermittlung vorherzusehen und einen frühzeitigen Tausch der Membran einzuleiten .

Claims

Patentansprüche Eine Vorrichtung (10) für eine Armatur (20, 30) der Prozessfluidtechnik umfassend: ein Dichtelement (100) , welches mit einem beweglichen Absperrkörper (32) der Armatur (20, 30) zusammenwirkt oder selbst den Absperrkörper (32) bereitstellt, und welches eine Mehrzahl von Funktionsbereichen (110, 120) umfasst; wenigstens einen mit dem Dichtelement (100) assoziierten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt (200) , welcher zumindest abschnittsweise einem der
Mehrzahl von Funktionsbereichen (110, 120) zugeordnet ist; und eine Betriebseinheit (300) , welche zum Betreiben des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts (200) eingerichtet ist. Die Vorrichtung (10) gemäß dem Anspruch 1, wobei der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt (200) mit dem Dichtelement (100) zumindest abschnittsweise materialschlüssig verbunden ist. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt (200) abwechselnd einen statischen Funktionsbereich (110) und einen dynamisch belasteten Funktionsbereich (120) überdeckt oder abwechselnd durch den statischen Funktionsbereich (110) und den dynamisch belasteten Funktionsbereich (120) verläuft. Die Vorrichtung (10) gemäß dem Anspruch 3, wobei der statische Funktionsbereich (110) ein zur Herstellung einer Dichtwirkung nach außen wirkender Spannabschnitt eines als Ventilmembran ausgebildeten Dichtelements (100) ist, und wobei der dynamische Funktionsbereich (120) einen beweglichen Walkbereich der Ventilmembran umfasst, welcher sich innerhalb des Spannabschnitts befindet und sich an den Spannabschnitt anschließt. Die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest zwei elektrische Kontakte (210, 220) , welche mit unterschiedlichen Abschnitten (212, 220) des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt (200) elektrisch leitend verbunden sind, an einer Schmalseite (106) des Dichtelements (100) oder an einer von der Schmalseite (106) abragenden Lasche (108) angeordnet sind. Die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
5, wobei die Betriebseinheit (300) dazu eingerichtet ist, einen zeitlichen Verlauf (900) eines elektrischen Widerstands zumindest eines Teilabschnitts des elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitts (200) zu ermitteln, und wenigstens einen Zustand (Z) des Dichtelements (100) oder der Armatur (20, 30) in Abhängigkeit von dem ermittelten zeitlichen Verlauf
(900) des elektrischen Widerstands zu ermitteln. Die Vorrichtung (10) gemäß dem Anspruch 6, wobei die Betriebseinheit (300) dazu eingerichtet ist, einen geöffneten Zustand der Armatur (20, 30) zu ermitteln, wenn ein mit einer Öf fnungsbewegung der Armatur (20, 30) assoziiertes Signalmuster im zeitlichen Verlauf (900) des elektrischen Widerstands erkannt wird. Die Vorrichtung (10) gemäß dem Anspruch 6 oder 7, wobei die Betriebseinheit (300) dazu eingerichtet ist, einen geschlossenen Zustand der Armatur (20, 30) zu ermitteln, wenn ein mit einer Schließbewegung der Armatur (20, 30) assoziiertes Signalmuster im zeitlichen Verlauf (900) des elektrischen Widerstands erkannt wird. Die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis
8, wobei bei der Ermittlung des Zustandes eine relative Änderung des elektrischen Widerstands zugrunde gelegt wird. 10. Die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis
9, wobei die Betriebseinheit (300) dazu eingerichtet ist, einen Verschleiß-Zustand des Dichtelements (100) zu erkennen, wenn ein gleitender Durchschnitt (900) über einen vorab festgelegten Zeitraum ansteigt.
11. Die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
10, wobei zwischen einem ersten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt (200a) und einem zweiten elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt (200b) zumindest abschnittsweise ein dritter elektrisch leitfähiger Elastomerabschnitt (200c) angeordnet ist, dessen elektrischer Widerstand unter Druckeinwirkung stärker abfällt als der elektrische Widerstand des ersten und zweiten Elastomerabschnitts (200a, 200b) .
12. Die Vorrichtung (10) gemäß dem Anspruch 11, wobei die Betriebseinheit (300) eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von Widerstandsmessungen am ersten und zweiten Elastomerabschnitt (200a, 200b) wenigstens eine mehrdimensionale Koordinate, welche durch eine erhöhte Druckbelastung charakterisiert ist, zu ermitteln .
13. Die Vorrichtung (10) gemäß dem Anspruch 11 oder 12, wobei die Betriebseinheit (300) eingerichtet ist, um einen mit dem Dichtelement (100) assoziierten Fehlerzustand zu ermitteln, wenn die ermittelte Koordinate der Druckbelastung außerhalb einer vorgegebenen mehrdimensionalen Vorgabe liegt. Die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 11, 12 oder 13, wobei der dritte elektrische leitfähige Elastomerabschnitt (200c) einem der Mehrzahl von Funktionsbereichen (110, 120) zugeordnet ist, insbesondere zu wenigstens 50% innerhalb einer durch den zugeordneten Funktionsbereich (110, 120) gedachten zugeordneten Begrenzung liegt. Die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
14, wobei das Dichtelement (100) einen elastomeren elektrisch isolierenden Hauptkörper aufweist, mit welchem der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt (200) materialschlüssig verbunden ist, insbesondere ist der wenigstens eine elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt (200) in den Hauptkörper eingeklebt oder einvulkanisiert. Die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
15, wobei die Betriebseinheit (300) und der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt (200) dazu eingerichtet sind, den elektrisch leitfähigen Elastomerabschnitt (200) derart mit elektrischer Energie zu versorgen, dass der elektrisch leitfähige Elastomerabschnitt (200) thermische Energie erzeugt.
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