DE19524237C2 - Durchflußarmatureneinheit und Betriebsverfahren für diese - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflußarmatureneinheit für gefährliche Fluide, mit einer zugehörigen Steuerein­ richtung, sowie ein Betriebsverfahren für die Durchfluß­ armatureneinheit.

Als Wärmeträger zur Bereitstellung von Prozeßwärme ist Öl sehr verbreitet, das unter Umgebungsdruck oder geringem zusätzlichem Betriebsdruck Temperaturen von über 300°C erreichen kann. Bei entsprechenden Systemen zur Versorgung von Maschinen und Anlagen mit Prozeßwärme wird das in einer speziellen Heizstation aufgeheizte Öl über Rohrleitungen und Ventile sowie bedarfsweise anderweitige Durchflußarmaturen zum Einsatzort geleitet und entspre­ chend rückgeführt.

Z. B. aus der DE 33 45 528 A1 sind Ventile und Durchfluss­ armaturen bekannt, die anstelle oder zur Ergänzung der ansonsten üblichen Stopfbuchse zur Abdichtung einer Ven­ tilspindel einen Metallfaltenbalg aufweisen. Ein derarti­ ger Metallfaltenbalg läßt eine Axialbewegung der Ventil­ spindel zu und dichtet die Durchflußarmatur dabei hermetisch nach außen hin ab. Nachdem derartige Durchflußarma­ turen kein Nachziehen irgendwelcher Stopfbuchsen verlan­ gen, gelten diese Armaturen als wartungsfrei.

Durchflußarmaturen mit Metallfaltenbalg zum Abdichten von nach außen geführten beweglichen Teilen gegen die Umgebung werden neben Systemen mit aufgeheiztem Öl zur Prozeßwärmeübertragung auch bei Anlagen verwendet, in denen anderweitige gefährliche Fluide, die giftig, ätzend, umweltgefährlich oder sonstwie gefährlich sind, geführt werden.

Infolge natürlichen Verschleißes werden auch Metall­ faltenbälge mit der Zeit undicht, wobei solche Undichtig­ keiten meist infolge von Riß oder Bruch auftreten und zu größeren Leckagen führen. Daraus entstehen Gefahren für die betreffende Anlage, die Umwelt und das Bedienungs­ personal. Es ist deshalb in der Praxis versucht worden, die Ventilspindel von mittels Faltenbalg abgedichteten Ventilen zusätzlich mittels einer Stopfbuchse abzudichten. Mittels dieser Stopfbuchse wird eine durch Bruch des Metallfaltenbalges auftretende Leckage wenigstens dann aufgefangen, wenn die Stopfbuchse selbst intakt ist und dem Angriff des gefährlichen Fluides gewachsen ist. Jedoch bleibt der Bruch des Metallfaltenbalges dann meist unbe­ merkt, so daß die Sicherheit der Anlage in solchen Fällen nur von der Dichtigkeit der zusätzlichen Stopfbuchse abhängt. Wird diese bspw. infolge weiteren Verschleißes, schließlich undicht, kann das gefährliche Fluid doch nach außen gelangen. Ist sie infolge parallelen Verschleißes bereits undicht, wenn der Metallfaltenbalg bricht, stellt sie keine Sicherheitsbarriere mehr dar und das Fluid kann sofort nach außen gelangen.

Bei turnusmäßigen Inspektionen können zwar undichte Durchflußarmaturen erkannt werden, jedoch können hierbei bereits eingetretene Schäden nur noch festgestellt und gegebenenfalls eingegrenzt werden. Eine Vorbeugung ist damit nicht möglich.

Aus der US-PS 4,836,974 ist ein motorgetriebenes Stopfbuchsenventil bekannt, dessen Ventilspindel über einen Seilzug mit einem Zähler verbunden ist. Dieser dient dazu, die Anzahl der durchlaufenen Bewegungsumkehrungen zu bestimmen. Dazu ist das mit der Ventilspindel verbundene Seil über Umlenkrollen zu einem verschiebbar gelagerten Kolben geführt und mit diesem verbunden. Der Kolben ist durch eine Feder in einer Richtung vorgespannt. Er steht außerdem mit einem Reibrad in Verbindung, das mit einem elektrischen Signalgeber und einem Zähler verbunden ist. Übersteigt der Hub der Ventilspindel den geringen Drehbereich des Reibrads, rutscht dieses durch. Lediglich bei Bewegungsumkehrungen sprechen der Zähler und der Signalgeber an.

Aus "Konstruktionselement Metallbalg"; Feinwerktechnik 73. Jhrg.; 1969, Heft 1; Seiten 16-22 ist bekannt, wie Metallbälge im Hinblick auf eine vorgegebene Anzahl von Lastspielen zu bemessen sind. Solche Metallbälge sind in Ventilen verwendbar. Hinsichtlich der Lebensdauer sind große Streuungen angegeben. Unerwartete Frühausfälle sind bei sicherheitsrelevanten Ventilen aber besonders unangenehm.

Die EP 0 637 713 A1 befasst sich mit einem Diagnosesystem für ein Stopfbuchsenventil. Zur Funktionsüberwachung sind Sensoren zur Erfassung von Körperschallspektren und ein äußerer auf der Ventilspindel sitzender Kolben vorgesehen, der an seinem Außenumfang abgedichtet in einer Zylinderkammer sitzt. Durch die Stopfbuchse des Ventils dringende Leckagen drücken gegen den Kolben. Dieser wird somit gegen die Kraft einer Druckfeder axial bewegt und betätigt schlussendlich einen Schalter.

Außerdem wird die Ventilkennlinie überwacht. Tatsächlich auftretende Fehler werden erfasst, jedoch wird keine Aussage über die Wahrscheinlichkeit zukünftig drohender Fehler oder Ausfälle gemacht.

Aus der EP 0 660 017 A1 ist ein pneumatisch betätigtes Ventil mit einer Regeleinrichtung zur Einstellung von Zwischenstellungen bekannt. Verschleißsensoren oder sonstige Maßnahmen zur Erkennung der Verlässlichkeit des Ventils sind nicht ersichtlich.

Aus der WO 93/01436 A2 ist ein Kugelhahn bekannt, bei dem der Kugelsitz aus einem Kunststoff ausgebildet ist. In diesen sind Signalleitungen eingebracht, um einen übermäßigen Verschleiß durch Signalgabe einer optischen oder elektrischen Leitung erkennen zu können.

Dies lässt sich bei Faltenbalgventilen zur Überwachung des Faltenbalgs nicht anwenden.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Durchflußarmatureneinheit für gefährliche Fluide zu schaf­ fen, die eine hohe Verläßlichkeit aufweist und in Anlagen mit hohen Sicherheitsanforderungen eingebaut werden kann, wobei Gefährdungen für Mensch, Maschinen und Umwelt weit­ gehend reduziert sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Durchflußarmaturen­ einheit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst.

Bei der Erfindung wird ein Ventil, ein Schieber, eine Klappe oder eine anderweitige Durchflußarmatureneinheit mit beweglichem Stellglied mittels eines Metallfaltenbal­ ges zur Umgebung hin abgedichtet, wodurch bei intaktem Metallfaltenbalg eine hermetische Abdichtung erreicht wird. Das Stellglied, das im Einzelfall eine Klappe, ein Schieber, ein Ventilkegel oder dergleichen sein kann, wird mittels einer Antriebsrichtung betätigt, die ihrerseits von einer Ventilsteuereinheit angesteuert ist. Die zusätz­ liche Monitoreinrichtung überwacht die Alterung des Me­ tallfaltenbalges, die als Kennzeichen für den Verschleiß­ zustand herangezogen wird. Je weiter ein Metallfaltenbalg gealtert ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für einen plötzlichen Bruch oder Riß und somit für eine Lecka­ ge.

Wenn der Verschleißzustand ein vorbestimmtes Maß erreicht hat, wird dies von einer Vergleichereinrichtung festgestellt, die den Verschleißzustand oder einen Nähe­ rungswert für diesen mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht. Sobald der Grenzwert erreicht ist, gibt die Alarmvorrichtung ein Signal ab, das vor Ort, in einer zentralen Steuerwarte, an einem Bedienpult oder an einem anderweitigen, für kompetentes Personal zugänglichen Ort von diesem wahrnehmbar ist. Dieses Signal fordert zum sofortigen oder wenigstens alsbaldigem Wechsel der betref­ fenden Durchflußarmatur auf, womit eine vorbeugende War­ tung ermöglicht wird. Die noch intakte Durchflußarmatur wird ersetzt, weil durch den zunehmenden Verschleiß ein Bruch wahrscheinlich wird.

Bei besonders gefährlichen Prozessen ist es alter­ nativ auch möglich, anhand des Alarmsignales betroffene Anlagenteile sofort stillzusetzen oder nach dem nächsten betriebsmäßig vorkommenden Aus-Zustand ein Wiederanfahren der Anlage zu verhindern.

Der Grenzwert für den Verschleißzustand kann in Abhängigkeit von den Sicherheitsanforderungen an die Anlage und an die Durchflußarmaturen entsprechend, d. h. auf einen höheren oder niedrigeren Wert, eingestellt werden.

Die Monitoreinrichtung kann den Verschleißzustand der Durchflußarmatur prinzipiell auf unterschiedliche Weise überwachen. In einer einfachsten Version wird die gesamte Zeit registriert, die die Durchflußarmatur in die Anlage eingebaut ist. Es hat sich gezeigt, daß eine solche ein­ fache Lösung insbesondere dann anwendbar ist, wenn die Durchflußarmaturen wenige Arbeitsspiele mit gleichblei­ bender Häufigkeit ausführen.

Ein genaueres Verfolgen des Verschleißzustandes ist jedoch, wie sich herausgestellt hat, möglich, wenn dazu die von dem Metallfaltenbalg ausgeführten Bewegungen registriert werden. Zur Registrierung der ausgeführten Bewegungen können entweder lediglich die Anzahl der Betä­ tigungen und ggf. noch deren Betätigungsrichtung regi­ striert oder die bei der Betätigung insgesamt zurückgelegten Wege aufsummiert werden. Bei Verwendung von Stell­ motoren als Antriebseinrichtungen ist die Betätigungs­ geschwindigkeit konstant und es kann aus der Betätigungs­ zeit auf den von dem Metallfaltenbalg zurückgelegten Weg geschlossen werden. Beträgt bspw. die ohne Beeinträchti­ gung der Zuverlässigkeit maximal ausführbare Anzahl von Arbeits- oder Lastspielen für einen Metallfaltenbalg 100.000, die Länge des Arbeitshubes 2 cm und die zum Durch­ laufen dieses Arbeitshubes erforderliche Stellzeit 1 Minute, ist nach 200.000 Minuten Stellzeit (ein Arbeits­ spiel ist eine Hin- und Herbewegung) oder umgerechnet 3.333 Stunden die Verschleißgrenze erreicht. Der von dem Metallfaltenbalg zurückgelegte Weg beträgt dann 4 km. Auch dieser kann überwacht werden.

Die Überwachung des Metallfaltenbalges kann ohne zusätzliche Sensormittel durch entsprechendes Registrieren der von der Ventilsteuereinheit an die Aktuatoreinheit angegebenen Signale oder Befehle erfolgen, die dann ent­ sprechend der Zeit, des zurückgelegten Weges, der Anzahl der Betätigungen und ggf. zusätzlich registrierter Rich­ tungsumkehrungen ausgewertet werden.

Bei entsprechend empfindlichen Metallfaltenbälgen können Stellbewegungen die nur einen sehr geringen Hub haben, aber mit einer Richtungsumkehr einhergehen (ins­ besondere Regelschwingungen mit kleinerer Amplitude), mit höherer Wichtung in die Verschleißüberwachung aufgenommen werden als Regelschwingungen mit größerer Amplitude. Damit werden Richtungsumkehrungen als potentiell stärker ver­ schleißend registriert als fortgesetzte Bewegungen in gleicher Richtung.

Durch die Überwachung nach einem der vorgenannten Verfahren und mit entsprechenden Einrichtungen läßt sich der tatsächliche Verschleißzustand des Metallfaltenbalges gut annähern, wodurch einerseits eine sehr hohe Zuverlässigkeit der Durchflußarmaturen und andererseits eine maximale Standzeit erreicht wird.

Gegenüber dem reinen prophylaktischen Wechsel von Durchflußarmaturen wird sowohl eine Kostenersparnis (höhe­ re Standzeit) als auch ein Sicherheitsgewinn durch die Gewinnung eines Schätz- oder Näherungswertes für den Verschleißzustand erreicht.

Sowohl die Ventilsteuereinrichtung als auch die Monitoreinrichtung, die Vergleichereinrichtung und be­ darfsweise die Alarmvorrichtung können Teil einer Mikro­ rechnereinheit sein, die ansonsten Regelaufgaben übernimmt und die die Durchflußarmatur in Abhängigkeit von einer Führungsgröße bzw. dem Unterschied zwischen einem Sollwert und einer mittels Sensoren erfaßten Ist-Größe steuert.

Darüber hinaus ist es sinnvoll, die Anzahl der Stell­ bewegungen zu minimieren, was mit einem entsprechend eingestellten, die Aktuatoreinheit steuernden Dreipunkt­ regler erreicht werden kann. Dieser betätigt das Stell­ glied erst dann, wenn die Abweichung zwischen Ist- und Soll-Wert ein Toleranzfeld verlassen hat, so daß kleinere Störungen keine Stellbewegungen auslösen.

Eine von dem tatsächlich zurückgelegten Weg des Metallfaltenbalges unabhängige Registrierung wird durch Akkumulation der Anzahl der an die Antriebseinheit abgege­ benen Befehle erreicht. Ein verbesserter Verschleißmonitor erfaßt die Größe der Lastspiele und bewertet diese. Bei einer abgewandelten Ausführungsform können die Bewertungs­ ziffern außerdem mit einem der Betätigungszeit der An­ triebseinheit entsprechenden Faktor multipliziert werden. Damit können kurzhubige Bewegungen stärker akzentuiert werden, wodurch der so gebildete Schätzwert für den Ver­ schleißzustand dem tatsächlichen Verschleißzustand besser angenähert ist.

Weitere Unteransprüche sind auf eine entsprechende Ausgestaltung des genannten Verfahrens gerichtet.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Frittieranlage, bei der ein Lebensmittel­ ölbad mittels einer aufgeheiztes Mineralöl führenden Heizschlange beheizt wird, mit einer sicherheitsüberwach­ ten Durchflußarmatureneinheit, in schematischer Darstel­ lung,

Fig. 2 eine Durchflußarmatureneinheit mit einem mittels eines Metallfaltenbalges abgedichteten Dreiwege­ ventil, das von einem Getriebemotor und einer Mikrorech­ nereinheit gesteuert ist,

Fig. 3 die Durchflußarmatureneinheit nach Fig. 1 in einer schematischen Darstellung als Blockschaltbild und mit einer ebenfalls im Blockschaltbild dargestellten Monitoreinrichtung zur Bestimmung des Verschleißzustandes,

Fig. 4 die Arbeitsweise der Monitoreinrichtung mit einer einfachen Schrittfolge als Ablaufplan und

Fig. 5 die Arbeitsweise der Monitoreinrichtung mit einer umfangreicheren Schrittfolge als Ablaufplan.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Frittieranlage 1 wird ein in einer Wanne 2 gehaltenes Lebensmittelölbad über eine Rohrschlange 3 aufgeheizt, die über eine Leitung 4 mit auf 260°C aufgeheiztem Mineralöl beaufschlagt und von diesem durchströmt wird. Zur Regelung des Wärmeeintrages in das Lebensmittelölbad ist eine Ventileinheit 5 vor­ gesehen, die ein Dreiwegeventil 6 und eine räumlich von diesem entfernte Mikrorechnereinheit 7 enthält, die das Dreiwegeventil 6 über einen Stellmotor 8 anhand der von einem Sensor 9 ermittelten Temperatur des Lebensmittel­ ölbades steuert. Der Stellmotor ist ein Synchronmotor mit angebautem Getriebe.

Das Dreiwegeventil 6 ist wegen des hohen Gefährdungs­ potentials des als Heizmedium verwendeten, stark aufge­ heizten Mineralöles als Metallfaltenbalgventil ausgeführt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Das Dreiwegeventil 6 weist ein in einem Ventilgehäuse 11 gegen einen Ventilsitz 12 beweglich gelagerten Ventilkegel 13 auf, der von einer drehbar an diesem befestigten Ventilspindel 14 getragen wird, die aus dem Ventilgehäuse 11 ragt. Zur Abdichtung ist ein Metallfaltenbalg 15 vorgesehen, der eine zylin­ drische Außenkontur mit in Umfangsrichtung verlaufenden ringförmigen Falten oder Rippen aufweist und in Axialrich­ tung stauch- und dehnbar ist. Zusätzlich ist die Ventil­ spindel 14 mittels einer Stopfbuchse 16 abgedichtet.

Der Stellmotor 8 ist über einen Klemmständer 17 von dem Dreiwegeventil 6 getragen. Der Stellmotor 8 wird von der Mikrorechnereinheit 7 gesteuert. Diese kann prinzi­ piell unmittelbar bei dem Dreiwegeventil 6, in der Nähe der in Fig. 1 dargestellten Wanne 2, aufgestellt sein. Im vorliegenden Beispiel ist sie jedoch in einiger Entfernung von der Wanne 2 aufgestellt.

Der Aufbau und die Arbeitsweise der Mikrorechner­ einheit 7 sowie der sie steuernden Programme sind aus Fig. 3 ersichtlich, in der die übrige Anlage lediglich sym­ bolisch angedeutet ist. Die Mikrorechnereinheit 7 weist eine Ventilsteuereinheit 20 auf, die als Dreipunktregler ausgebildet ist. Die Ventilsteuereinheit 20 enthält einen Ansteuerblock 21, der über eine Leitung 22 an den Stell­ motor 8 angeschlossen ist, der eine Aktuatoreinheit für das Dreiwegeventil 6 bildet. Der Ansteuerblock 21 enthält über eine Leitung 23 Signale von einer Verstärker-Integrator­ baugruppe 24 (PI-Block) und gibt an der Leitung 22 nur dann Signale ab, wenn das an der Leitung 23 anstehende Signal einen vorbestimmten Maximalwert überschreitet oder einen vorbestimmten Minimalwert unterschreitet. Sowohl in Maximal- als auch in Minimalrichtung ist Hysterese vorhan­ den, um ein Pendeln des Stellmotores 8 zu vermeiden.

Ein Addierer 25 bildet die Differenz zwischen einem von dem Sensor 9 erfaßten Temperatur-Ist-Wert und einem über eine Eingabeeinrichtung 26 eingegebenen Temperatur- Soll-Wert.

Zusätzlich zu der insoweit beschriebenen, als Drei­ punktregler ausgebildeten und durch die Ventilsteuerein­ heit 20 gebildeten Regelschleife ist eine Monitoreinrich­ tung 30 vorgesehen, die die auf der Leitung 22 anstehenden Ausgangssignale des Ansteuerblockes 21 abgreift. Aus diesen Signalen ermittelt die Monitoreinrichtung 30 An­ zahl, Richtung und/oder Dauer der Stellbewegungen, die der Stellmotor 8 dem Metallfaltenbalg 15 in Richtung des Pfeiles P aufprägt. Die Monitoreinrichtung 30 ermittelt daraus einen den Verschleißzustand des Metallfaltenbalges 15 kennzeichnenden Näherungswert.

An die Monitoreinrichtung 30 ist eine Vergleicher­ einrichtung 31 angeschlossen, die einen Addierer 32 und eine Schwellwertschaltung 33 enthält. Die Vergleichereinrichtung 31 wirkt dadurch als Komparator und gibt an ihrem Ausgang ein Signal an eine Alarmeinrichtung 34 ab, wenn das an ihrem Eingang anstehende, von der Monitor­ einrichtung 30 gelieferte und den Näherungswert repräsen­ tierende Signal einen Schwellwert M erreicht oder über­ schreitet. Die Alarmeinrichtung wird dadurch dauerhaft ausgelöst und gibt ein akustisches und/oder optisches Warnsignal ab.

Der Aufbau der Monitoreinrichtung 30 und der Ver­ gleichereinrichtung 31 kann sowohl mittels reiner Hardwa­ relösungen als auch durch einen mittels entsprechender Software programmierten Mikrorechner bewerkstelligt wer­ den, der Teil der Mikrorechnereinheit 7 ist. Der Aufbau geht aus der im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 erläu­ terten Arbeitsweise hervor.

Die Arbeitsweise der von der Ventilsteuereinheit 20 gebildeten PI-Regelschleife wird von der Monitoreinrich­ tung 30 nicht beeinflußt und stimmt deshalb mit der Ar­ beitsweise eines bekannten PI-Dreipunktreglers überein.

Die insoweit beschriebene Ventileinheit 5 arbeitet wie folgt:
Sobald die an dem Temperatursensor 9 anstehende Temperatur den mittels der Eingabeeinrichtung 26 eingege­ benen Sollwert längere Zeit über- oder unterschreitet, gibt der Verstärker und Integrator 24 über die Leitung 23 ein Ausgangssignal ab, das den Ansteuerblock veranlaßt, den Stellmotor 8 in einer bestimmten Drehrichtung ein­ zuschalten. Dazu gibt er über die Leitung 22 ein entspre­ chendes Signal ab. Dieses Signal ist, wenn als Stellmotor 8 ein Drehstromsynchronmotor verwendet ist, ein dreipha­ siges Wechselstromsignal fester Spannung und Frequenz, aus dessen Phasenbeziehung die Drehrichtung des Stellmotors 8 hervorgeht.

Die Überwachungseinrichtung 30 registriert dieses Signal und bestimmt die Drehrichtung. Dies ist in Fig. 4 mit einem Block 40 symbolisch angedeutet. Im nächsten Schritt 41 ermittelt die Monitoreinrichtung 30, ob die Drehrichtung die gleiche wie bei der vorhergehenden Ven­ tilbetätigung ist oder ob die Bewegungsrichtung geändert ist, d. h. eine Bewegungsumkehr für den Metallfaltenbalg 15 stattgefunden hat.

Ist eine Bewegungsumkehr erfolgt, wird der im Block 40 festgestellte Betätigungshub des Dreiwegeventiles 6 vollwertig gezählt, wie es mit dem Block 42 angedeutet ist. Hat keine Bewegungsumkehr stattgefunden wird der Betätigungsvorgang nur mit halber Wichtung gezählt und der über die gesamte Lebensdauer des Dreiwegeventiles 6 stän­ dig aktualisierte Verschleißwert V lediglich um 0,5 erhöht (Block 43). Der Verschleißwert V stellt einen Näherungs- oder Schätzwert für den tatsächlichen Verschleiß dar.

Sobald das auf der Leitung 22 anstehende Eingangs­ signal weggefallen ist, wird der aktualisierte Verschleiß­ wert V mit einem voreingestellten Maximalwert M vergli­ chen. Wenn dieser nicht erreicht ist, wird keine Maßnahme veranlaßt. Ansonsten wird Alarm ausgelöst, der zum Aus­ wechseln des Dreiwegeventiles 6 auffordert. Alternativ kann die Anlage stillgesetzt oder nach dem nächsten be­ triebsmäßigen Stillsetzen ein Wiederanfahren verhindert werden.

Die vorbeschriebene Schrittfolge kann, wenn die Ventilsteuereinheit 20 auf der Basis eines Mikrorechners aufgebaut ist, von diesem mit ausgeführt werden, so daß die erläuterte Schrittfolge einen Programmabschnitt des ansonsten einen PI-Regler bildenden Programmes ist, das den Mikrorechner steuert.

Bei der beschriebenen Ausführungsform werden ledig­ lich die Ventilbetätigungen gezählt. Eine genauere Über­ wachung des Verschleißzustandes, insbesondere für Fälle, in denen Regelvorgänge mit stark unterschiedlichen Am­ plituden zu erwarten sind, läßt sich mit einer Monitor­ einrichtung 30 erreichen, die gemäß der in Fig. 5 angege­ benen Schrittfolge arbeitet.

Sobald die Monitoreinrichtung 30 in einem Block 50 anhand des Eingangssignales feststellt, daß der Stellmotor 8 läuft, wird dessen Drehrichtung bestimmt und in einem Block 51 eine Zeitmessung gestartet. In einem Schritt 52 wird unterschieden, ob eine Bewegungsumkehr gegenüber dem vorhergehenden Ventilbetätigungshub stattgefunden hat oder nicht.

Hat keine Umkehr stattgefunden, wird eine Variable f_U auf einen konstanten niedrigen Wert k_N gesetzt, der eine Bewertungsziffer für den Verschleiß ohne Richtungsumkehr ist. Im anderen Falle wird diese Variable f_U auf einen konstanten größeren Wert k_U gesetzt, der eine Bewertungs­ ziffer für den Verschleiß mit Richtungsumkehr in der Bewegungsrichtung des Metallfaltenbalges 15 ist. In einem weiteren Block 53 wird auf den Motorstillstand, d. h. das Verschwinden des Befehlssignales auf der Leitung 22 gewar­ tet. Sobald das Signal verschwunden ist, wird angenommen, daß der Stellmotor 8 stillsteht und der Metallfaltenbalg 15 nicht weiter bewegt wird. Die Zeitmessung wird deshalb in Block 54 beendet.

Die gemessene Zeit entspricht wegen der konstanten Stellgeschwindigkeit dem von dem Metallfaltenbalg 15 zurückgelegten Weg. Die Zeit wird nun mit dem Faktor f_U multipliziert, um ein stärkeres Akzentuieren von Rich­ tungsumkehrungen zu erhalten. Entsprechend dem Einfluß auf den Verschleiß können k_U und k_N angepaßt werden, um ein möglichst genaues Abbild des tatsächlichen Verschleißes zu erhalten.

Außerdem wird in Block 55 die so gewichtete Zeit zu dem akkumulierten Verschleißwert V addiert. Erreicht oder überschreitet dieser Verschleißwert den Grenz- oder Maxi­ malwert M, wird Alarm ausgelöst und ansonsten nichts veranlaßt sondern zum normalen Reglerbetrieb zurückge­ kehrt. Auch hier kann alternativ die Anlage stillgesetzt oder ein Wiederanfahren der Anlage verhindert werden.

Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann auf die Multiplikation der Bewertungsziffern k_U und k_N mit der Zeit t verzichtet werden und als Näherung für den Verschleiß­ wert V wird nur die über die gesamte Einsatzzeit des 3- Wegeventiles 6 akkumulierte Summe aller Bewertungsziffern für jede Bewegung genommen. Diese Variante ist bei im Mittel konstanten Stellhüben ausreichend genau.

Außerdem ist es möglich, auf die Bewertungsziffern zu verzichten und nur die Stellzeiten aufzusummieren. Bei konstanter Stellgeschwindigkeit folgt daraus der zurückge­ legte Gesamtweg als Näherung für den Verschleiß.

Die Ventilsteuereinheit 20 kann außerdem als kon­ tinuierlich arbeitender Regler (PI-, PID-Regler) ausgelegt sein, der einen Stellmotor mit konstanter oder nicht konstanter Stellgeschwindigkeit ansteuert. Dies können Schrittmotoren, Synchronmotoren, Asynchronmotoren oder Gleichstromstellmotoren sein.

Bei nicht konstanter Stellgeschwindigkeit wird aus den an den Stellmotor gelieferten Signalen die Stellge­ schwindigkeit ermittelt. In Verbindung mit der ebenfalls registrierten Stellzeit bestimmt die Monitoreinheit 30 daraus den von dem Metallfaltenbalg 15 zurückgelegten Weg. Die Einzelwege aller Stellbewegungen werden aufsummiert und der so ermittelte Gesamtweg ist eine Näherung für den Verschleiß. Der Vergleichereinrichtung 31 wird ein ent­ sprechendes Signal zugeführt, wobei die Arbeitsweise im übrigen mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen übereinstimmt.

Sind die Stellmotoren Schritt- oder Synchronmotoren, können als einfache und zuverlässige Lösung die an den Motor gelieferten Strom- oder Spannungsperioden gezählt werden. Der Zählwert ist ein Näherungswert für den Ver­ schleiß.

Darüber hinaus können die Verschleißwerte mehrerer in einer Anlage vorhandener Ventile von einem Rechner einer Zentralsteuerung ermittelt oder von dezentralen Rechnern bestimmt und an die Zentralsteuerung gemeldet werden. Bei dieser Variante sind insbesondere bei größeren Anlagen gute Übersichtlichkeit und ein erheblicher Sicherheits­ gewinn gegeben.

Zusätzlich können Betriebstemperatur und -druck erfaßt werden und jeweils als Faktor mit dem einen jewei­ ligen Arbeitshub kennzeichnenden Wert multipliziert wer­ den. Höherer Druck und Temperatur werden dann als poten­ tiell stärker verschleißend erkannt und gewichtet. Es ist aber auch möglich, den Verschleißgrenzwert anhand der Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur) festzulegen. Dies kann manuell oder durch den Mikroprozessor 7 erfolgen.

Bei einem Metallfaltenbalgventil oder einer anderwei­ tigen mittels Metallfaltenbalges abgedichteten Durchfluß­ armatur ist zusätzlich zu dem mikroprozessorgesteuerten Aktuator eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die den Verschleißzustand des Metallfaltenbalges überwacht und deshalb das erforderliche Auswechseln desselben bzw. der gesamten Armatur anzeigt, bevor es zu Bruch und zu gefähr­ lichen Leckagen kommt. Zur Überwachung des Verschleißzustandes werden Zahl und/oder Dauer der Arbeitsspiele bestimmt und mit einem Maximalwert verglichen. Ist dieser erreicht, wird ein entsprechendes Alarmsignal ausgelöst. Die Überwachungseinrichtung ermöglicht dadurch den siche­ ren Betrieb von Anlagen, in denen gefährliche Fluide mittels Durchflußarmaturen gesteuert werden, wobei gegen­ über einem bspw. rein zeitlichen, turnusmäßigen Auswech­ seln der Durchflußarmaturen vorzeitiger Verschleiß, bspw. infolge von unerwarteten und unbemerkt ablaufenden Regel­ schwingungen, erkannt wird.

Claims (19)

1. Durchflußarmatureneinheit (5) für gefährliche Fluide,
mit einer Durchflußarmatur (6), die ein nach außen geschlossenes, einen Innenraum umschließendes Gehäuse (11) aufweist und die in ihrem Durchflußwiderstand durch Ver­ stellen eines beweglich und verstellbar gelagerten Stellgliedes (13) veränderbar ist,
mit einem Kraftübertragungsglied (14), das mit dem Stellglied (13) antriebsmäßig verbunden ist und das aus dem Gehäuse (11) herausgeführt ist,
mit einem Metallfaltenbalg (15), der mit einem Ende dicht an das Stellglied (13) und mit einem anderen Ende dicht an das Gehäuse (11) angeschlossen ist und durch den das Kraftübertragungsglied (14) durchgeführt ist,
mit einer Antriebseinrichtung (8), die außerhalb des Gehäuses angeordnet und in Bezug auf das Gehäuse (11) ortsfest gelagert ist und die antriebsmäßig mit dem Kraft­ übertragungsglied (14) verbunden ist,
mit einer Ventilsteuereinheit (20), die die Antriebs­ einrichtung (8) anhand von Führungssignalen ansteuert und Ausgangssignale an diese abgibt, die diese veranlassen, die Stellung des Stellgliedes (13) den Führungssignalen entsprechend zu verändern,
mit einer Verschleißmonitoreinrichtung (30), die an die Ventilsteuereinheit (20) angeschlossen ist und die von der Antriebseinrichtung (8) durchgeführten Bewegungen anhand der empfangenen Ausgangssignale registriert, wobei die Verschleißmonitoreinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, aus den Ausgangssignalen wenigstens einen Näherungs­ wert für den Verschleißzustand des Metallfaltenbalges (15) zu bestimmen,
mit einer Vergleichereinrichtung (31), die den von der Verschleißmonitoreinrichtung (30) bestimmten Nähe­ rungswert für den Verschleißzustand des Metallfaltenbalges (15) mit einem vorgegebenen Grenzwert (M) vergleicht, und
mit einer Alarmeinrichtung (34), die von der Verglei­ chereinrichtung (31) ein Alarmsignal empfängt, wenn der von der Verschleißmonitoreinrichtung (30) ermittelte Näherungswert für den Verschleißzustand des Metallfalten­ balges (15) den Grenzwert (M) übersteigt.

2. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißmonitoreinrichtung (30) die Anzahl der von dem Metallfaltenbalg (15) ausgeführten Bewegungen ermittelt und den Näherungswert für den Ver­ schleißzustand des Metallfaltenbalges (15) anhand der Zahl von Bewegungsspielen des Metallfaltenbalges (15) bestimmt.

3. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißmonitoreinrichtung (30) derart ausgebildet ist, daß sie die Anzahl der von der Ventilsteuereinheit (20) an die Antriebseinrichtung (8) abgegebenen Befehle registriert, entsprechend der Dauer des jeweiligen Befehles bewertet und die bewerteten Befeh­ le akkumuliert.

4. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißmonitoreinrichtung (30) die Anzahl und Größe der Lastspiele erfaßt und bewertet.

5. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißmonitoreinrichtung (30) dem registrierten Befehl eine Bewertungsziffer (k_U) zuord­ net, die groß ist, wenn der Befehl einer anderen Bewe­ gungsrichtung entspricht als der vorhergehende Befehl, daß die Verschleißmonitoreinrichtung dem Befehl eine ver­ gleichsweise geringere Bewertungsziffer (k_N) zuordnet, wenn die Bewegungsrichtung gegenüber dem vorhergehenden Befehl unverändert ist, und daß die Bewertungsziffern (k_U, k_N) über die gesamte Zeit vom Zeitpunkt des Einbauens der Durchflußarmatur an aufsummiert werden.

6. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinheit (30) die Bewertungsziffern (k_U, k_N), bevor sie aufsummiert werden, jeweils mit einem Faktor multipliziert, der anhand der Betätigungszeit der Antriebseinrichtung (8) festgelegt ist.

7. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsteuereinheit (20), die Verschleißmonitoreinrichtung (30) und die Vergleicher­ einrichtung (31) von einer Mikrorechnereinheit (7) gebil­ det sind, die durch entsprechende Programmabschnitte gesteuert ist.

8. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Alarmeinrichtung (34) Teil der Mi­ krorechnereinheit (7) ist.

9. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ventilsteuereinheit (20) wenig­ stens ein Sensor (9) angeschlossen ist, der Signale an diese liefert, die einen bestimmten physikalischen Para­ meter repräsentieren, der mittels einer Verstellung des Stellgliedes (13) beeinflußbar ist, und daß die Ventil­ steuereinheit (20) die Antriebseinrichtung (8) steuert, um einer Abweichung der überwachten physikalischen Größe von einem Sollwert entgegenzuwirken.

10. Durchflußarmatureneinheit nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ventilsteuereinheit (20) als 6-Dreipunktregler ausgebildet ist.

11. Verfahren zur Überwachung einer Durchflußarmatur mit einem beweglich gelagerten Ventilverschlußglied zur Einstellung ihres Durchflußwiderstandes, mit einem ge­ schlossenen Gehäuse, das von einem durch das Ventilverschlußglied steuerbaren Kanal durchsetzt ist, mit einer durch das Gehäuse nach außen geführten Ventilspindel zur Betätigung des Ventilverschlußgliedes, und mit einem Me­ tallfaltenbalg zur Abdichtung des Ventilverschlußgliedes gegen das Gehäuse, wobei die Ventilspindel durch den Metallfaltenbalg geführt und endseitig antriebsmäßig mit dem Ventilverschlußglied verbunden ist, der Durchfluß­ armatur eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, die bezüglich der Durchflußarmatur ortsfest gelagert ist und die einen mit der Ventilspindel verbundenen Abtrieb auf­ weist, und wobei der Durchflußarmatur eine Ventilsteuer­ einheit zugeordnet ist, die mit der Antriebseinrichtung verbunden ist und Ausgangssignale an diese liefert, wobei das Verfahren die Schritte aufweist,
daß mittels einer Verschleißmonitoreinrichtung anhand der an die Antriebseinrichtung abgegebenen Ausgangssignale ein Näherungswert für den Verschleißzustand des Metall­ faltenbalges bestimmt und überwacht wird und
daß mittels einer Alarmeinrichtung ein Alarmsignal abgegeben wird, wenn der Näherungswert für den Verschleiß­ zustand einen vorgegebenen Maximalwert erreicht hat.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anzahl der von der Antriebseinrichtung durch­ geführten Stellvorgänge als Maß für den Verschleißzustand des Metallfaltenbalges genommen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß ein kürzerer, nicht den gesamten Arbeitsbereich der Durchflußarmatur durcheilender Stellvorgang nur zur Hälfte gezählt wird, wenn die Stellrichtung mit der Rich­ tung des vorhergehenden Stellvorganges übereinstimmt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß als Maß für den Verschleißzustand die Größe der Lastspiele erfaßt, bewertet und kummuliert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die aufsummierte Betätigungszeit der Antriebsein­ richtung als Maß für den Verschleißzustand des Metall­ faltenbalges genommen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die einzelnen Betätigungszeiten der Antriebsein­ richtung bestimmt und gewichtet addiert werden, daß der entsprechende Wichtungsfaktor groß ist, wenn eine Rich­ tungsumkehr der Stellbewegung erfolgt ist, und daß der Wichtungsfaktor klein ist, wenn keine Richtungsumkehr der Stellbewegung erfolgt ist.

17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß aus den an die Antriebseinrichtung gelieferten Signalen der von dem Metallfaltenbalg insgesamt zurückge­ legte Weg bestimmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß aus den an die Antriebseinrichtung gelieferten Signalen die Zahl der Bewegungsrichtungsumkehrungen des Metallfaltenbalges bestimmt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 und 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem insgesamt zurückgelegten Weg eine erste Maßzahl zugeordnet wird, daß der Zahl der Bewe­ gungsrichtungsumkehrungen eine zweite Maßzahl zugeordnet wird und daß die Summe beider Maßzahlen als Verschleißmaß verwendet wird.