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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen
Verschleißzustandsermittlung
einer Ventilanordnung, vorzugsweise eines pneumatischen Stellantriebs,
dessen innerhalb eines Ventilgehäuses axial
bewegbar angeordnetes federrückgestelltes
Ventilglied per Steuerdruckbeaufschlagung über einen I/P-Umsetzer bewegt
wird. Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Ventilanordnung,
welche Mittel zur Umsetzung eines solchen Verfahrens besitzt.
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Der
in dieser Offenbarung verwendete Begriff „Positionierregelung” steht
für ein
mechatronisches System, dass entsprechend einem oder mehreren Eingangssignalen
die Hilfsenergie eines pneumatischen Stellantriebs steuert, um das
Ventilglied in eine bestimmte Position zu bringen. Zur Funktion
benötigt
die Positionsregelung unter Druck stehendes Gas, meist Druckluft,
als Hilfsenergie sowie auch elektrische Energie.
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Ein
im allgemeinen Stand der Technik bekannter pneumatischer Stellungsregler
zur Betätigung
eines Prozessventils weist mindestens die im Folgenden näher bezeichneten
Kernkomponenten auf. Mit einem pneumatischen System werden in Abhängigkeit
von ein oder mehreren Eingangssignalen die Antriebskammern eines
einfach- oder doppeltwirkenden pneumatischen Ventils gezielt be-
oder entlüftet.
Das pneumatische System besteht üblicherweise
auch Hilfsenergiezuleitung, einem oder mehreren Pilotventilanordnungen und
Steuerdruckzuleitungen zu den Antriebskammern zur Steuerung der
Belüftung
und/oder Entlüftung
der Antriebskammern. Mit Hilfe eines Positionssensors als Stellungsrückmeldungssensor
werden die Bewegung und Positionen des Ventilgliedes als ein oder
mehrere Signale dargestellt. Darüber
hinaus ist eine Steuerelektronik vorhanden, die einen Mikrokontroller
aufweist und ein oder mehrere Eingangssignale empfängt. Die Firmware
in der Steuerelektronik verarbeitet die Eingangssignale und die
Signale des Positionssensors zu Ausgangssignalen, welche als Eingangssignale
des pneumatischen Stellantriebs dienen.
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Pneumatische
Stellantriebe der hier interessierenden Art werden in Schwenk- und
Hubantriebe unterschieden. Beim Hubantrieb wird die lineare Bewegung
des Abtriebs des Stellantriebs unmittelbar auf ein linear betätigendes
Stellorgan übertragen.
Dem gegenüber
wird bei Schwenkantrieben die lineare Bewegung des Abtriebs des
Stellantriebs mit geeigneten Mitteln in eine Drehbewegung umgesetzt.
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Der
pneumatische Stellantrieb und die Positionierregelung werden mittels
eines Anbausatzes verbunden. Der Anbausatz umfasst Komponenten,
welche die Bewegung und Position des Stellantriebs zur Stellungsrückmeldungssensorik
an die Positionierregelung überträgt.
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Bei
Einsatz eines pneumatischen Ventils als Bestandteil einer Anlage,
beispielsweise einer automatisierungstechnischen Anlage, tritt das
Problem auf, dass bei einem unvorhergesehenen Ausfall des Ventils auch
die gesamte Anlage ausfallen kann, was zu Ausfallszeiten in der
Produktion führt.
Ausfallgefährdet
bei einem pneumatischen Ventil sind vor allem Mehrwegeventile, da
diese einer besonders hohen mechanischen Wechselbeanspruchung im
Betrieb ausgesetzt sind.
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Um
dieses Problem zu beherrschen, war es bisher üblich, entweder einen defekten
Bestandteil der Ventilmechanik erst auszutauschen, nachdem dieser
defekt ist; zum Anderen wurde vereinzelt ein vorsorglicher Austausch
nach Ablauf der geschätzten
Standzeit des Ventils vorgenommen. Bei der letztgenannten Methode
erfolgte der Austausch oftmals bereits weit vor der tatsächlichen
Verschleißgrenze,
da wegen der Variationsbreite großer Abweichungen zwischen der
geschätzten
Standzeit und der tatsächlichen
Standzeit auftreten.
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Neben
dieser Ausfallproblematik von pneumatischen Ventilen kann es bei
einer Anlage in Folge fortschreitenden Verschleißes auch zu einem sich stetig
verlangsamenden Schalten des Ventils kommen, was ungünstige Überschneidungserscheinungen
hervorrufen kann, die wiederum unzulässige Systemzustände in der Anlage
herbeiführen
können.
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Aus
der
DE 102 22 890
A1 geht eine technische Lösung hervor, welche sich dem
vorstehend dargelegten Problem annimmt und zur Verschleißzustandsüberwachung
der Schaltmechanik eines pneumatischen Ventils spezielle elektronische Überwachungsmittel
vorschlägt.
Es ist eine Elektronikeinheit vorgesehen, welche eingangseitig das
elektrische Ansteuersignal für
das pneumatische Ventil und ein auf einen Ansteuerimpuls folgendes
elektrisches Reaktionssignal zugeht, woraus die Elektronikeinheit
durch Vergleich des zeitlichen Abstands zwischen dem Ansteuersignal
und dem Reaktionssignal die Schaltverzögerung als Maß des Verschleißzustandes
der Schaltmechanik bestimmt. Das Reaktionssignal wird dabei über einen
arbeitsleitungsseitig im Ventilgehäuse integrierten Drucksensor
ermittelt. Diese Lösung
basiert auf der Erkenntnis, dass die Verlängerung der Schaltzeit eines
Ventils über
dessen gesamte Betriebszeit im direkten Zusammenhang mit dem Verschleißzustand
steht. Somit ermöglicht
diese Lösung
des Standes der Technik über
eine rechtzeitige Erkennung unerwünscht langer Schaltzeiten einen
gezielten Austausch von Ventilen oder deren Verschleißteile,
welche in absehbarer Zeit ausfallen würden. Damit ist eine präventive
Wartung pneumatischer Anlagen gewährleistbar.
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Nachteilhaft
bei dieser technischen Lösung
erscheint jedoch die hierfür
erforderliche Drucksensorik zur Bestimmung des Reaktionssignals
auf einen elektrischen Ansteuerimpuls. Denn eine korrekte Funktion
eines Drucksensors über
die gesamte Lebenszeit des Ventils kann nicht unter allen Umständen sichergestellt werden.
Weiterhin verursachen Drucksensoren einen zusätzlichen Verbrauch elektrischer
Energie und werden während
des normalen Betriebs des Ventils nicht benötigt.
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Darüber hinaus
ist aus der
DE
20 2004 020 347 U1 ein pneumatischer Schwenkantrieb zum
Stellen eines Stellorgans bekannt, der ein mechanisches Koppelelement
und bezogen auf dieses Koppelelement jeweils einen antriebsseitigen
Sensor und einen abtriebsseitigen Sensor aufweist. Dabei wird aus
der Differenz der Sensorsignale auf das Spiel in dem Koppelelement
und damit auf dessen Verschleißzustand
geschlossen.
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Ferner
sind aus dem allgemeinen Stand der Technik auch Lösungen bekannt,
welche ohne einen zusätzlichen
Drucksensor im Rahmen einer Verschleißzustandsermittlung der Ventilmechanik
auskommen, allerdings sind diese Lösungen für bistabile Ventile ohne Rückstellfedern
konzipiert und eignen sich deshalb nicht für eine Übertragung auf monostabile
Ventile, da die positionsabhängige
Federkraft Einfluss auf die Messung haben kann. Ferner ist es bei
dieser Lösung
schwierig zu beurteilen, ob Messunterschiede durch unerhebliche Änderungen
im pneumatischen System oder durch Positionsänderungen des Schaltgliedes
hervorgerufen werden.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur elektronischen Verschleißzustandsermittlung
der Ventilmechanik eines pneumatischen Stellantriebs zu schaffen,
welches mit Hilfe einfacher elektronischer Bauelemente zuverlässige Prognoseergebnisse
für ein
zukünftiges
Verschleißgrenzen- oder
Ausfallereignis liefert.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich
eines dieses Verfahren umsetzenden pneumatischen Ventils wird auf
Anspruch 7 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die verfahrenstechnische Lehre ein, dass der I/P-Umsetzer zumindest über einen
Teil des Schalthubes einen konstanten Öffnungsquerschnitt sicherstellt,
bei welchem über
eine Positionssensorik der Zeitpunkt des Erreichens verschiedener
Positionen des Ventilgliedes entlang des Belüftungs- oder Entlüftungshubes
ermittelt wird, woraus über
eine Auswerteeinheit die an diesen Positionen herrschende Geschwindigkeiten
des Ventilgliedes mathematisch abgeleitet werden, deren Änderungsprofil
ein Maß für den Verschleißzustand
darstellt.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
insbesondere darin, dass zur Ermittlung des Verschleißzustandes
gänzlich
auf die Verwendung eines Drucksensors innerhalb des Ventils verzichtet
werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
bietet außerdem
die Voraussetzung dafür,
neben Änderungen
der Reibungswerte in der Ventilmechanik auch Änderungen hinsichtlich der
Federkostante und der Parameter des I/P-Umsetzers separat zu bestimmen
und einer Diagnose zuzuführen.
Weiterhin eignet sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere für monostabile
Ventile, bei denen das Ventilglied von einer Seite her per Vorsteuerung
betätigt
wird, wogegen die Ausgangsstellung durch eine Rückstellfeder eingenommen wird.
Dagegen ist es für
bistabile Ventile mit beidseitiger Vorsteuerung schwieriger über die
Erstellung von Änderungsprofilen
der Geschwindigkeit des Schaltgliedes auf den Verschleißzustand
rückzuschließen, da
eine Belüftung
und Entlüftung
der beiden dem Schaltglied gegenüberliegenden
Steuerkammern gleichzeitig stattfindet.
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Abhängig vom
I/P-Umsetzer ändert
sich oft nur der Druck in einer der Steuerkammern und die andere Steuerkammer
bleibt unter konstantem Druck. Falls das Verhalten des I/P-Umsetzers
bekannt ist, kann die erfindungsgemäße Lösung jedoch durchaus bei bistabilen
Ventilen angewendet werden.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme
wird vorgeschlagen, dass mehrere Positionen sowohl entlang des Belüftungshubs
als auch entlang des Entlüftungshubs
zur Ermittlung der dort herrschenden Geschwindigkeiten in die Auswertung
mit einfließen.
Wegen der verschiedenen Drucksituationen am I/P-Umsetzer ist das Verhalten des Druckluftflusses
zum und vom am Ventil angeschlossenen Aktuator und somit die Bewegungsgeschwindigkeit
des Ventilgliedes unterschiedlich während des Belüftungs-
und Entlüftungshubes.
Bei der Entlüftung
eines monostabilen Ventils besteht eine Beziehung zwischen dem Entlüftungsdurchfluss
und der reduzierten Kraft der Rückstellfeder,
dergestalt, dass die Geschwindigkeit allein von der aktuellen Öffnung des
I/P-Umsetzers abhängt,
so dass die Geschwindigkeit konstant ist. Bei der Belüftung ist
der Durchfluss dagegen konstant und die Geschwindigkeit des Schaltgliedes
wird sich mit ansteigendem Schalthub reduzieren. Der exakte Zusammenhang
der Geschwindigkeitsreduktion in Abhängigkeit der Position wird von
der Beziehung zwischen der Federkraft der Rückstellfeder und der Reibung
bestimmt. Durch mehrere Geschwindigkeitsbestimmungen des Schaltgliedes
während
des Belüftungshubs
und anschließender
Bestimmung des Änderungsprofils
hieraus kann auch eine Änderung
der Federkraft und andere Parameter des pneumatischen Systems ermittelt
werden. Wird zusätzlich
die Geschwindigkeit des Schaltglieds während des Entlüftungshubs
bestimmt können
exaktere Analysewerte für
das pneumatische System erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
das Änderungsprofil
des Geschwindigkeitsverlaufs über
den Schalthub gemeinsam mit dem Datum der Messung in einem Speicherelement
zu hinterlegen. Entsprechende Datensätze bilden eine Datenbank,
auf welche wiederum die Auswerteeinheit zurückgreifen kann, um aus der
Historie hinterlegte Änderungsprofile
durch Vergleich einer Verschleißzustandsprognose
zu erstellen. Dies kann im einfachsten Falle durch Extrapolieren
erfolgen. Wird eine erste Ermittlung des Änderungsprofils während der
Inbetriebnahme des Ventils erstellt und abgespeichert kann bereits
mit einem im zeitlichen Abstand hierzu ermittelten aktuellen Änderungsprofil
eine Änderung
im Reibungsverhalten zwecks Verschleißzustandserkennung erkannt
werden.
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Eine
Verringerung der Geschwindigkeitswerte im Änderungsprofil deutet auf eine
verschleißbedingte Reibungserhöhung in
der Ventilmechanik hin. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Geschwindigkeitswerte im Änderungsprofil
im Vergleich zu einer Vormessung erhöhen, was auf eine Verringerung
der Reibung in der Ventilmechanik hindeutet. In diesem Falle kann
eine Dichtungsleckage vorliegen, welche die Hubbewegung während der
Belüftung
des Ventilglieds unterstützt.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, eine Auswertung hinsichtlich
einer solchen Dichtungsleckage vorzunehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Verschleißzustandsermittlung
der Ventilmechanik eines monostabilen pneumatischen Ventils, das über einen
I/P-Umsetzer schaltbar
ist, lässt
sich durch Integration einer Positionssensorik zur Ermittlung des
Zeitpunkts des Erreichens verschiedener Positionen des Schaltgliedes entlang
des Belüftungs-
oder Entlüftungshubs
umsetzen. Die hieraus gemessenen Schaltzeitpunkte wertet eine nachgeschaltete
Auswerteeinheit aus, indem hieraus die an den verschiedenen Positionen
herrschenden Geschwindigkeiten des Ventilglieds mathematisch berechnet
werden. Hieraus wird ein Datensatz mit den jeweiligen Wertepaarpositionen
mit zugeordneter Geschwindigkeit erstellt, der das Geschwindigkeitsprofil
der Ventilmechanik darstellt. Aus dem Vergleich zweier Geschwindigkeitsprofile,
welche in einem zeitlichen Abstand zueinander nach vielen Ventilschaltzyklen
erstellt worden sind, lässt
sich per Differenzbildung ein Änderungsprofil
ermitteln, das als Maß für den Verschleißzustand
der Ventilmechanik herangezogen wird. Lässt das Änderungsprofil eine signifikante
Verringerung der Geschwindigkeiten an mehreren Positionen des Schalthubes
erkennen, so deutet dies beispielsweise auf einen fortschreitenden
Verschleiß der
Ventilmechanik hin. Natürlich
müssen
die übrigen
die Messung beeinflussenden Parameter konstant sein.
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Vorzugsweise
wird die zum Zwecke der Ermittlung der Schaltpunkte vorgesehene
Positionssensorik aus mehreren im Ventilgehäuse beabstandet voneinander integrierten
binären
Nährungsschaltern
ausgebildet. Wird hierfür
ein induktives Messprinzip verwendet, so wirkt jeder der Nährungsschalter
mit einem seitens des Ventilgliedes integrierten Permanentmagneten
zusammen und der insoweit induktive Nährungsschalter umgibt ein binäres Signal
aus, wenn der Maximalwert der durch die Bewegung des Ventilgliedes
induzierten Spannung erreicht ist. Es ist alternativ hierzu auch
denkbar, die Positioniersensorik als ein im Ventilgehäuse entlang
des Schalthubes integrierten analogen Wegmesssensor auszubilden.
Ein solcher Wegmesssensor kann beispielsweise nach Art eines Schieberwiderstandes
ausgebildet sein, mit welchem jede beliebige Position des Ventilgliedes
entlang des Schalthubs feststellbar ist. Vorzugsweise sollte jedoch
auf einen berührungslos
arbeitenden Wegmesssensor zurückgegriffen
werden, um reibungsbedingten Verschleiß am Sensor zu vermeiden.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ventilanordnung mit elektronischen
Mitteln zur drucksensorischen Betriebszustandsermittlung,
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2 ein
Diagramm zur Verdeutlichung der Geschwindigkeit einer Aufwärtsbewegung
des Ventilgliedes für
verschiedene Reibungen bei fester Lufteintrittsöffnung,
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3 ein
Diagramm zur Verdeutlichung der Geschwindigkeit einer Abwärtsbewegung
des Ventilgliedes für
verschiedene Reibungen bei fester Lufteintrittsöffnung,
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4 ein
Diagramm zur Verdeutlichung der Geschwindigkeit einer Aufwärtsbewegung
bei einer festen Reibung und unterschiedlichen Lufteintrittsöffnungen,
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5 ein
Diagramm zur Verdeutlichung der Geschwindigkeit einer Abwärtsbewegung
des Ventilgliedes bei einer festen Reibung und bei unterschiedlichen
Lufteintrittsöffnungen.
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Gemäß 1 ist
in einer hier nur fragmentisch angedeuteten Rohrleitung 1 eine
nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Ventilgehäuse 2 ein
Prozessventils eingebaut. Dieses weist in seinem Inneren einen mit
einem Ventilsitz 3 zusammenwirkendes Ventilglied 4 zur
Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf.
Das Ventilglied 4 wird von einem pneumatischen Stellantrieb 10 über eine Hubstange 7 linear
betätigt.
Der pneumatische Stellantrieb 10 ist über ein Joch 6 mit
dem Ventilgehäuse 2 des Prozessventils
verbunden. An dem Joch 6 ist ein digitaler Stellungsregler
mit Positionierregelung 13 angebracht. Über einen Positionssensor 12 wird
der Hub der Hubstange 7 in den Bereich des Stellungsreglers
gemeldet. Der erfasste Hub wird innerhalb der Positionierreglung 13 mit
einem vorgegebenen Sollwert verglichen und der pneumatische Stellantrieb 10 in
Abhängigkeit
von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Der pneumatische
Stellantrieb 10 umfasst im Bereich der Positionierregelung 13 einen
I/P-Umsetzer 14 zur Umsetzung des elektrischen Regelsignals
der ermittelten Regelabweichung in einem adäquaten Steuerdruck. Der Steuerdruck
wird über
eine Druckmittelzuführung
in eine Antriebskammer 11 des pneumatischen Stellantriebs 10 geleitet.
Innerhalb der Antriebskammer 11 ist ein (von außen nicht
sichtbarer) membranartiger Steuerkolben integriert, der die Hubstange 7 betätigt.
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Über einen
ebenfalls dem pneumatischen Stellantrieb 10 zugeordneten
Drucksensor 9 ist der Druck innerhalb der Antriebskammer 11 messbar.
Der Drucksensor 9 meldet den aktuell anliegenden Druck
einer Auswerteeinheit 8. Während der I/P-Umsetzer 14 über einen
Teil des Schalthubs des Ventilgliedes 4 einen konstanten Öffnungsquerschnitt
sicherstellt, bei welchem über
die Positionssensorik 12 der Zeitpunkt des Erreichens verschiedener
Positionen des Ventilgliedes 4 entlang des Belüftungs-
oder Entlüftungshubs
ermittelt wird, leitet die Auswerteeinheit 6 die an diesen
Positionen herrschenden Geschwindigkeiten des Ventilgliedes 4 mathematisch
ab, deren Änderungsprofil
ein Maß für den Verschleißzustand
der Ventilmechanik darstellt. Die Auswerteeinheit 8 erstellt
aus einer Historie hinterlegter Geschwindigkeitsprofile durch Vergleich
eine Verschleißzustandsprognose.
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Die
Auswerteeinheit
8 ermittelt das Geschwindigkeitsprofil
des Ventilgliedes
4 über
dem Schalthub auf der Basis folgender mathematischer Zusammenhänge:
Die
Geschwindigkeit x' eines
nur in eine Richtung steuerdruckbeaufschlagten und insoweit monostabilen
Ventils lässt
sich während
der Bewegung mit einem konstanten Öffnungsquerschnitt des den
Steuerdruck erzeugenden I/P-Umsetzers
14 näherungsweise
wie folgt beschreiben:
wobei ẋ die Position
des Ventilschiebers darstellt, ṁ den Durchfluss zu oder
vom Aktuator, k die Federkonstante, kx
0 die
anfängliche
Federspannung, f die Reibungskraft, R die spezifische Gaskonstante,
T die Temperatur und p
0A den Einfluss des
Umgebungsdruck an der zweiten Seite des Ventilgliedes.
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Diese
Gleichung kann zwar durch in der Realität entstehende Gasexpansion
der Druckluft variieren, jedoch lässt sich hiermit das prinzipielle
Verhalten beschreiben. Der Durchfluss zu bzw. vom Aktuator wird
bestimmt durch den Öffnungsquerschnitt
des I/P-Umsetzers
14 und die Druckverhältnisse vor und nach dem I/P-Umsetzer
14.
Zur Belüftung
des Aktuators herrscht normalerweise eine sehr große Druckdifferenz über dem
I/P-Umsetzer
14 wegen dem hohen Druck auf der Speisedruckversorgungsseite,
die typischerweise ca. 5 bar
rel beträgt und dem
Druckverlust auf der Aktuatorseite mit typischerweise < 1,4 bar
rel. Hierdurch entsteht ein überkritischer
Durchfluss im I/P-Umsetzer
14,
der sich zu einem konstanten Durchfluss auswirkt, welcher nur abhängig ist
vom Öffnungsquerschnitt
A
d des I/P-Umsetzers
14 sowie dem
Speisedruck, der normalerweise konstant ist. Daraus ergibt sich
ausgehend von der vorstehenden Gleichung (1) die folgende Gleichung:
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Wenn
die Reibung klein ist, so wird die Federkraft die Bewegung des Ventilgliedes 4 dominieren
und dessen Geschwindigkeit wird sich mit anwachsender Steigung stark
reduzieren. Wenn sich die Reibung erhöht, so wird sich der Einfluss
der Federkraft bei der Bewegung des Ventilgliedes verringern und
die Position hängt
von der Geschwindigkeit ab. Die Geschwindigkeit der Bewegung wird
dann mehr linear oder konstant über
den Schalthub sein. Durch die erfindungsgemäße Ermittlung der Geschwindigkeit
an verschiedenen Positionspunkten lässt sich das Geschwindigkeitsprofil
bestimmen und damit die Reibung messen.
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Bei
der Rückstellebewegung
des Ventilgliedes 4 ist die Druckdifferenz über dem
I/P-Umsetzer 14 geringer,
typischerweise ein 1 barrel. Der Durchfluss
durch den I/P-Umsetzer 14 ist
daher überkritisch
und ist in einer ersten Annäherung
proportional zu der Druckdifferenz über dem I/P-Umsetzer 14.
Dieser Druck ist für
die Rückbewegung
wieder proportional zu der aktuellen Federkraft und somit zur Position
und zur Reibung, was sich durch folgende Näherungsgleichung ausdrücken lässt: ṁ ~ Ad(pact. – penv.) ~ Adkx + f(ẋ) (3)
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Wird
diese Beziehung in die vorstehende Gleichung (1) eingesetzt, so
ergibt sich durch Kürzen,
dass die Bewegungsgeschwindigkeit hauptsächlich durch den Öffnungsquerschnitt
des I/P-Umsetzers 14 bestimmt wird. Es wird sich daher
eine konstante Geschwindigkeit über
die Position einstellen, welche unabhängig von der Federkraft oder
der Reibung nur abhängig
vom Öffnungsquerschnitt
des I/P-Umsetzers 14 ist. Daher kann bei der Rückwärtsbewegung
der Zustand der pneumatischen Baugruppe geprüft werden, beispielsweise ob die Öffnung durch
Schmutz oder dergleichen blockiert ist, oder ob eine Änderung
im Verhältnis
der wirksamen Öffnung
des I/P-Umsetzers 14 zum Signal für den I/P-Umsetzer 14 vorliegt.
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Nach 2,
die eine Aufwärtsbewegung
des Ventilgliedes bei verschiedenen Reibungen illustriert, startet
die in Bewegung bei 0% Öffnungshub
mit einer Geschwindigkeit von 0%/s daher erfolgt hier zunächst anfänglich eine
Beschleunigung des Ventilgliedes bis die Geschwindigkeit erreicht
ist, bei der weitere oder andere Kräfte die Bewegung bestimmen.
Diese Beschleunigungsphase ist für
die erfindungsgemäße Lösung uninteressant
und wird nicht weiter betrachtet. Erst nach Abschluss dieser Beschleunigungsphase
bei etwa 10 bis 20% beginnt der ersichtlicherweise aussagekräftige Bereich.
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Ist
die Reibung im System sehr gering, müsste sich die Beschleunigung
theoretisch solange fortsetzen, bis die durch die hohe Geschwindigkeit
entstehenden Kräfte
diese begrenzen. Dieser Vorgang wird hier aber bereits durch das
pneumatische System begrenzt, dafür höhere Geschwindigkeiten auch
die Druckluft zum Befüllen
der Antriebskammer auch entsprechend schnell nachgeführt werden
müsste.
Da aber die zugeführte
Luft durch den Druck der Versorgungsleitung und die Lufteintrittsöffnung begrenzt
ist, wird die Geschwindigkeit des Stellantriebs hier durch die Menge
der nachgeführten
Luft und nicht durch die Reibungskräfte und andere Kräfte im mechanischen
System bestimmt. Die zugeführte
Druckluft ist jedoch wie vorstehend beschrieben konstant und damit
ergibt sich auch eine annähernd
konstante Geschwindigkeit. Dies in der obersten Kurve des Diagramms
zu erkennen. Steigt nun die Reibung an, so nehmen auch die Reibungskräfte und damit
die Kräfte
im mechanischen System zu. Erreicht die Reibung eine bestimmte Größe, so würden diese Kräfte bei
der Geschwindigkeit, die zuvor im reibungsfreien Zustand erreicht
werden konnten, größer als
die durch die Druckbeaufschlagung des Kolbens erzeugten Kräfte und
die Geschwindigkeit sinkt. Es stellt sich hier ein Kräftegleichgewicht
ein und die Bewegung des Systems wird nun überwiegend durch die mechanischen Kräfte bestimmt.
Es gilt die vorstehend angegebene Gleichung (1).
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Da
sich die mechanischen Kräfte
sowohl aus der Reibung sowie der Kraft der Feder zusammensetzen, nimmt
die Geschwindigkeit mit zunehmender Ventilgliedposition ab, wie
es auch in dem Diagramm dargestellt ist. Je stärker die Reibung, desto stärker das
Absinken der Geschwindigkeit. Dies bedeutet, dass aus dem Verlauf
der so absinkenden Geschwindigkeitskurve auf die Reibung geschlossen
werden kann. Die Geschwindigkeit nimmt mit zunehmender Reibung ab,
die Steigung des Geschwindigkeitsabfalls nimmt mit zunehmender Reibung
zu. Es könnte
in einer ersten Annahme davon ausgegangen werden, dass die Reibung
bereits aus dem Absolutwert der Geschwindigkeit bestimmt werden
könnte,
beispielsweise durch einen Vergleich mit einem Wert aus einem angealterten
pneumatischen Stellantrieb. Da diese Kurven aber auch noch durch
die Menge zugeführter
Druckluft, über
die Druckeintrittsöffnung,
welche sich ebenfalls verändern
kann, beeinflusst werden, ist dies so nicht direkt möglich. Die
nachfolgenden Diagramme dienen daher dazu, den Unterschied zwischen
diesen beiden Effekten aufzuzeigen.
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Im
Diagramm nach 3, die das Verhalten bei Abwärtsbewegung
des Ventilgliedes zeigt, kompensieren sich hier die nachlassende
Kraft der Feder mit sinkender Position und der Rückgang der ausströmenden Luft
durch den niedrigen Druck in der Antriebskammer. Dadurch ergibt
sich ebenfalls eine konstante Geschwindigkeit, welche aber unabhängig von
der Reibung ist.
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In 4 ist
die Aufwärtsbewegung
des Ventilgliedes bei verschiedenen Querschnittsöffnungen dargestellt, da auch
eine andere Luftzufuhr die Geschwindigkeit beeinflussen kann. Eine Änderung
der Luftzufuhr führt
zu einer anderen Geschwindigkeit des Ventilgliedes; dieser Effekt
ist aber unabhängig
von der Position des Ventilgliedes und es ergibt sich eine annähernd konstante
Geschwindigkeit, nur jeweils auf einem anderen Niveau entsprechend
dem Öffnungsquerschnitt.
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Daher
kann aus dem absoluten Wert der Geschwindigkeiten nicht direkt auf
einen Effekt durch die Reibung geschlossen werden. Wird aber die
Steigung des Geschwindigkeitsverlaufs betrachtet, so weist dieser auf
die Reibung hin. Vergleicht man daher sowohl den Absolutwert als
auch die Steigung gegenüber
den Ausgangswerten für
einen nicht gealterten Ventilmechanik, so kann dadurch auf die beiden
Fehlergrößen: Veränderungen
im pneumatischen System durch anderen Öffnungsquerschnitt und Reibung
geschlossen werden. Es können
somit beide Größen aus
dieser Diagnose bestimmt werden. Es kann aber auch einfach nur die
Steigung betrachtet werden, um hieraus die Reibung zu bestimmen.
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Des
Weiteren, könnte
dies noch dadurch erweitert werden, dass die Form des Geschwindigkeitsabfalls noch
näher untersucht
wird. Da der Term f(dx) verschiedene Terme für die unterschiedlichen Formen
von Reibung enthalten kann, wird die genaue Form des Geschwindigkeitsverlaufs
von dem dominierenden Reibungstypen bestimmt und sich für unterschiedliche
Reibungstypen unterschiedlich verhalten. Daher kann aus dem Verlauf
des Geschwindigkeitsabfalls auf den Reibungstyp geschlossen werden.
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Im
Diagramm nach 5 wird eine Abwärtsbewegung
des Ventilgliedes bei verschiedenen Querschnittsöffnungen illustriert. Es herrscht Ähnlichkeit
zu 3, jedoch variiert die Geschwindigkeit aufgrund
der verschiedenen Querschnittsöffnungen.
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Ventilsitz
- 4
- Ventilglied
- 5
- Prozessormedium
- 6
- Joch
- 7
- Hubstange
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- Drucksensor
- 10
- pneumatischer
Stellantrieb
- 11
- Antriebskammer
- 12
- Positionssensor
- 13
- Positionierregler
- 14
- I/P-Umsetzer
