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Die
Erfindung betrifft eine Kupplung für Drehantriebe zur Übertragung
von Stellkräften zwischen Antrieb und Regelvorrichtung.
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In
der Industrie werden Kupplungen für Drehantriebe zur Übertragung
der Stellkräfte zwischen Antrieb und einer Regelvorrichtung
verwendet. In größeren Anlagen finden häufig
eine große Anzahl von Kupplungen, welche sich an unterschiedlichen
Stellen einer chemischen Produktionsanlage befinden oder bei anderen
Produktionsverfahren zum Einsatz kommen, Verwendung. Abhängig
vom Einsatzgebiet können dabei unterschiedliche Probleme,
Störungen oder Fehlerfälle auftreten. Beispiele
für mögliche Fehlerfälle bzw. Störungen sind
gebrochene Wellen, Verschleiß, Luftverluste, Undichtigkeit,
defekte Sitzringe, erhöhte Korrosion, Fremdkörper
in der Armatur oder festsitzende Stopfbuchsen. Um mögliche
Fehlerfälle und Störungen frühzeitig
zu erkennen sowie eventuelle Schäden zu vermeiden ist es
notwendig, die einzelnen Kupplungen und Antriebe sowie Regelvorrichtungen,
wie z. B. Armaturen, in regelmäßigen Abständen
während des Betriebes auf deren korrekte Funktionsfähigkeit
zu überprüfen. Dabei muss z. B. der Ventilsitz
geprüft werden, sowie die Schließfähigkeit
der eingebauten Armaturen kontrolliert werden. Dabei kann es vorkommen,
dass unterschiedliche Überprüfungen nur im ausgeschalteten
oder ausgebauten Zustand durchgeführt werden können
und es somit zu unnötigen Produktionsausfällen
kommt. Des Weiteren müssen bei eventuellen Störungen
oder Fehlern zur Behebung der Ursachen Reparaturen sowie Instandhaltungsaufgaben
durchgeführt werden. Da es nicht in jedem Fall möglich
ist, die eigentliche Ursache einer auftretenden Störung
sofort zu erkennen, kann es zu für den Menschen gefährlichen
Reparaturaufgaben kommen. Zum Zwecke der Sicherheit ist es des Weiteren
notwendig, in regelmäßigen Abständen
Wartungsaufgaben an den Kupplungen durchzuführen.
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Aus
dem Stand der Technik sind z. B. durch die
DE 90 02 877 U1 temporäre
Prüfgeräte zur sporadischen Messung sowie zum
Einstellen von Endpunkten bekannt. Solche Prüfgeräte
haben allerdings den Nachteil, dass sie kein fester Bestandteil
der Kupplung sind und somit keine stetige und kontinuierliche Messung ermöglich.
Da es sich dabei um portable Prüfgeräte handelt,
ist die Messgenauigkeit solcher Messgeräte zu ungenau zur
sicherheitsrelevanten Überprüfung in einer Industrieanlage.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung zur Kraftübertragung
für Drehantriebe mit zusätzlicher integrierter
Funktion zur Erhöhung der Prozesssicherheit und Betriebssicherheit über
die gesamte Betriebszeit, zur Verfügung zu stellen, wobei
die Kupplung mit der zusätzlichen Funktionalität
eine Reduzierung des Wartungsaufwandes, bzw. Ver längerung
der Wartungsintervalle, Minimierung der Ausfallzeiten sowie eine
Funktion zur Unfallverhütung bei der Instandhaltung aufweist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mit einer Kupplung gemäß den
Merkmalen des Anspruches 1.
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Hiernach
weist die eingangs bezeichnete Kupplung für Drehantriebe
eine zusätzliche Messeinheit zur Stellkraftermittlung auf.
Die erfindungsgemäße Kupplung dient zur Stellkraftübertragung
für Drehantriebe, z. B. zur Übertragung der Kräfte
zwischen Stellmotor und einer Armatur. Während des Betriebes
der Kupplung werden durch die Messeinheit kontinuierlich alle auftretenden
Kräfte zwischen Antrieb und der Armatur gemessen. Dadurch
stellt die Messeinheit, welche fester Bestandteil der Kupplung ist,
eine stetige Messeinrichtung dar. Zusätzlich zur Messeinheit
weist die Kupplung eine Auswerteeinheit bzw. eine Anschlussvorrichtung
für eine externe Auswerteeinheit auf. Durch die stetige
Messung sowie Auswertung der Stellkräfte zwischen Antrieb
und Armatur können mit der erfindungsgemäßen
Kupplung mannigfaltige Fehler oder Störungen frühzeitig
erkannt werden und somit gravierende Schäden vermieden
werden. Desweiteren kann somit mit der erfindungsgemäßen
Kupplung der qualitative Zustand der Armatur und des Antriebs ermittelt
und beobachtet werden. Somit können mit der erfindungsgemäßen
Kupplung u. a. Anpresskräfte auf einen Ventilsitz auch
im eingebauten Zustand gemessen werden und daraus folgend ermittelt
werden, ob die Schließfähigkeit bei eingebauten
Armaturen noch gegeben ist. Dabei werden die gemessenen Kräfte
mit den Kräften im Normalbetrieb verglichen. Treten z.
B. erhöhte Kräfte beim Normalbetrieb auf, die über
das Losreissmoment hinaus gehen, kann dies Ursachen wie z. B. defekte
Sitzringe, verhärtetes Produkt, Fremdkörper in
der Armatur, festsitzende Stopfbuchsen, erhöhte Korrosion
oder andere Ursachen beinhalten. Beispielhafte Ursachen beim Auftreten kleinerer
Kräfte verglichen mit dem Normalbetrieb können
z. B. gebrochene Wellen, Nachlassen der Antriebskraft beim Drehantrieb,
Luftverluste durch Undich tigkeit, Verschleiß oder weitere
Ursachen sein. Zusätzlich zur Überwachung der
Funktion sowie Fehlererkennung oder Erkennung von Störungen
dient die erfindungsgemäße Kupplung auch zur Erhöhung
der Zuverlässigkeit, zur Verhinderung von unnötigen
Produktionsausfällen, zur Reduzierung des Wartungsaufwandes
sowie zur Unfallverhütung in der Instandhaltung. Zum Beispiel könnte
bei einer festsitzenden, geblockten Armatur sich eine Feder im noch
gespannten Zustand befinden. Ein solcher Zustand wird durch die
Mess- sowie Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen
Kupplung erkannt. Dadurch kann vermieden werden, dass eine gefährliche
Demontage des Drehantriebes von der Armatur bei einer sich im gespannten
Zustand befindenden Feder durchgeführt wird. Die Federkraft
kann nun zunächst entspannt werden und nach erneuter Zustandsermittlung
durch die Messeinheit gefahrlos der Antrieb von der Armatur entfernt
werden. Weitere gefährliche Zustände können
durch die stetige Messeinrichtung rechtzeitig erkannt werden und
somit Unfälle bei der Instandhaltung bzw. Beseitigung von
Störungen und Fehlern vermieden werden.
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Bevorzugterweise
ist die Messeinheit als Torsionsmesseinheit ausgebildet. Somit kann
bei radialer Bewegung abhängig von Kraftwirkung und Drehrichtung
der Kraftverlauf ermittelt werden.
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Des
Weiteren ist es bevorzugt, dass die Auswerteeinheit eine Einheit
zum Anzeigen der gemessenen Kräfte aufweist. Zusätzlich
zur Anzeigeeinheit ist eine Aufzeichnungseinheit zum Abspeichern
der ermittelten Werte bevorzugt. Somit ist es möglich,
den momentanen Zustand einer Armatur zu jedem Zeitpunkt abzulesen und
zu bestimmen. Des Weiteren können durch Analyse der über
einen bestimmten Zeitraum aufgezeichneten Messwerte zusätzliche
wichtige Informationen über den Zustand der Anlage ermittelt
werden. Eine weitere Einrichtung zur Alarmgebung bei gravierenden
Fehlern bzw. Störungen wäre außerdem
bevorzugt. Ein solcher Alarm könnte beispielsweise durch
Lichtzeichen oder Tonzeichen ausgegeben werden.
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Ferner
ist es bevorzugt, dass die Auswerteeinheit eine Regel bzw. Steuereinheit
zur Programmierung bzw. Einstellung von Parametern und Basiswerten
der Messeinheit und Auswerteeinheit, aufweist. Dadurch kann beispielsweise
voreingestellt werden, welche Kräfte gemessen werden sollen
bzw. aufgezeichnet werden sollen, über welchen Zeitraum
und in welchen Abständen die Messwerte ermittelt und abgespeichert
werden sollen, welche Kräfte beim Normalbetrieb gegeben
sind oder welche Zustände durch einen Alarm angezeigt werden
sollen. Des Weiteren ist es vorteilhaft jedem Messwert einen weiteren
Wert, z. B. Zeitpunkt oder Ventilzustand zuzuordnen sowie als sogenannten
Fingerabdruck anzuzeigen bzw. abzuspeichern. Eine solche Messwertzuordnung
ermöglicht eine genaue Fehleranalyse der Anlage zu einem
späteren Zeitpunkt.
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Zur
Messung der Stellkräfte zwischen Antrieb und Armatur ist
es bevorzugt, dass die Messeinheit mindestens zwei Dehnungsmessstreifen
(DMS) aufweist. Dazu können auf der Kupplungsoberfläche
Einsparungen zur Anbringung der DMS vorgesehen sein. Dabei sind
die Dehnungsmessstreifen in geeigneter Weise auf die Oberfläche
der Kupplung geklebt. Die Dehnungsmessstreifen sind über
eine Anschlussvorrichtung, insbesondere einem Kabelanschluss, innerhalb
der Messeinheit bzw. mit der Auswerteeinheit verbunden. Vorzugsweise
weist die Messeinheit vier Dehnungsmessstreifen auf.
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Bei
der Anordnung der Dehnungsmessstreifen auf der Kupplungsoberfläche
ist es bevorzugt, jeweils zwei Dehnungsmessstreifen auf einander
gegenüberliegenden Seiten in Bezug auf die Mittelachse
der Kupplung vorzusehen. Dabei sind die beiden auf derselben Seite
angebrachten DMS nebeneinander, parallel zueinander sowie in Längsrichtung,
parallel zur Mittelachse der Kupplung angebracht. Des Weiteren werden
die Deh nungsmessstreifen durch einen Feuchtigkeitsschutz vor Nässe
und Feuchtigkeit geschützt.
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Bevorzugterweise
wird die mechanische Belastung, bzw. die auftretende Kraft, bei
Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens durch die
Einbindung in eine elektrische Schaltung erfasst und ein Strom bzw.
Spannungssignal generiert. Dabei ist die elektrische Schaltung in
Form einer Brückenschaltung (DMS-Brückenschaltung)
z. B. Wheastone-Brücke, aufgebaut, z. B. könnte
bei Verwendung von vier DMS eine Vollbrückenschaltung und
bei Verwendung zwei DMS eine Halbbrückenschaltung verwendet
werden. Das erfasste Spannungs- bzw. Stromsignal wird vorzugsweise
in einen Verstärker eingespeist. Der Verstärker
kann auf der Kupplung angeordnet sein. Alternativ kann der Verstärker
in einer Anschlussbox angeordnet sein. Die Anschlussbox weist dazu
geeignete Anschlussklemmen zum Anschluss der Leitungen zur Messsignalübertragung
sowie zum Anschluss der elektrischen Versorgungsleitungen auf. Dabei
ist die Anschlussbox vorzugsweise an einer Brücke angeordnet
sowie über eine Kabelverbindung mit der Kupplung verbunden.
Zur elektrischen Versorgung der Messeinheit bzw. der Brückenschaltung
weist die Kupplung einen Versorgungsanschluss auf. Dabei kann die
Spannung durch ein zentrales Leitsystem oder auch einer lokalen
Spannungsversorgung, z. B. eines Akkus, eingespeist werden. Die
entsprechenden Parameter, wie z. B. Nullpunkt, Startpunkt oder Endpunkt,
der Messeinheit werden zu Beginn, d. h. vor Beginn der Messung in
Abhängigkeit der elektrischen Versorgungsspannung ermittelt.
Dabei werden die Messwerte im elektrisch angeschlossenen Zustand
ohne Kraftausübung ermittelt. In einer geeigneten Tabelle
werden somit Nullpunkt, Start- und Endpunkt festgelegt Die folgende
Tabelle zeigt einen beispielhaften Messbereich sowie der jeweiligen
Zuordnung von gemessenen Werten, z. B. Spannung oder Strom, mit
der daraus resultierenden Kraft. im folgenden Beispiel entspricht
der Nullpunkt (0 NM) einem Spannungsmesswert von 0,60 mV oder ein
Strommesswert von 12 mA. Mit einer Prüfeinrichtung wird
das maximal zu messende Drehmoment vorgegeben und so die Kupplung
kalibriert und in der Tabelle dokumentiert. Individuell kann so
jede Kupplung für alle Messanforderungen vorgegeben werden.
Der Durchmesser der Kupplung und die Werkstoffstreckgrenze werden
aufeinander abgestimmt.
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Des
Weiteren werden Verstärker sowie eventuelle Ausgleichswiderstände
während der Ermittlung der Basiswerte eingestellt bzw.
abgeglichen.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, mehrere Kupplungen mittels einer drahtgebundenen
oder drahtlosen Verbindung mit einer externen Auswerteeinheit, bzw.
zentralen Leitstelle, zu verbinden. Bei Verwendung einer Anschlussbox
wird jede Kupplung über eine Anschlussbox mit der externen
Auswerteeinheit, bzw. zentralen Leitstelle verbunden. Dabei kann
die zentrale Leitstelle einen Computer mit geeigneter Software aufweisen.
Somit können eine oder mehrere Kupplungen zentral von einer
Stelle aus auf deren Funktionalität beobachtet werden.
Eventuelle Fehler oder Störungen in einer oder mehrerer
Kupplungen können somit kostengünstig und zeitnah
erkannt werden. Des Weiteren dient ein solches zentrales Leitsystem
auch der Steuerung bzw. Programmierung der einzelnen Messeinheiten.
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Zum
Schutz vor äußeren Einwirkungen weist die Kupplung
vorzugsweise eine Schutzabdeckung auf. Dabei ist eine bewegliche
Schutzabdeckung bevorzugt.
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Mittels
einer Messeinheit welche fester Bestandteil einer erfindungsgemäßen
Kupplung für Drehantriebe zur Stellkraftübertragung
ist, sowie einer Auswerteeinheit die ebenfalls Bestandteil der Kupplung
ist oder über eine vorgesehen Anschlussvorrichtung als
externe Auswerteeinheit mit der Kupplung in Verbindung steht, werden
die von einem Antrieb auf eine Regelvorrichtung übertragenen
Stellkräfte gemessen sowie ausgewertet. Das übertragende
Drehmoment wird dabei durch Messung eines Losreissmomentes bestimmt.
Dabei basieren das Messverfahren und die Wirkungsweise auf dem Gleichgewicht
der Kräfte zwischen Antrieb und Armatur wenn keine fremde
Kraft (z. B. Reibung) einwirkt.
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Bevorzugterweise
werden zusätzlich die je nach Drehrichtung auftretenden
Kräfte, Reib-, Press- und Strömungskräfte,
gemessen. Diese Kräfte werden ebenso gemessen wie das Drehmoment
in blockiertem Zustand der Regelvorrichtung, z. B. der Armatur.
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Ferner
ist bevorzugt, dass die ermittelten Messwerte mit Basiswerten, d.
h. dem Neuzustand entsprechenden Werten, verglichen werden. Dabei
wer den Stromstärken mit Hilfe einer Messeinheit ermittelt
und anhand einer Tabelle das daraus resultierende Drehmoment bestimmt.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die Basiswerte, die Kräfte in den
Endlagen sowie die Losreissmomente für den Normalbetrieb
(keine Störung) bei Erstinbetriebnahme einer Regelvorrichtung
oder nach einer Reparatur der Regelvorrichtung bei eingebauter Kupplung
ermittelt werden. Die ermittelten Werte werden dabei in einer Tabelle
eingetragen und abgespeichert. Die Tabelle kann manuell erstellt
und in Papierform oder elektronischer Form abgespeichert werden.
Alternativ kann die Ermittlung der Basiswerte auch durch einen automatisierten
Messprozess durchgeführt und elektronisch abgespeichert
werden. Die bei einer neuen Armatur (Erstinbetriebnahme) ermittelten
Basiswerte (Prüfergebnisse) können auch als Anhaltspunkte
bei der Messung der Basiswerte nach eine späteren Reparatur
dienen. Weichen dabei die ermittelten Werte nach einer Reparatur
von den Basiswerten nach Erstinbetriebnahme ab, ist dies ein Qualitätsmerkmal
für die durchgeführte Reparatur. Zur Ermittlung
der Basiswerte wird im elektrisch angeschlossenen Zustand mit Hilfe
der Messeinheit auf der Kupplung ohne Kraftausübung, d.
h. ohne Luft und ohne Federwirkung, der Basiszustand gemessen. In
diesem Zustand ist ein eventuell vorhandener Verstärker
auf einen Basiswert, z. B. 12 mA mit Hilfe eines geeigneten Gerätes,
z. B. eines Programmiergerätes einzustellen. Alternativ
könnte diese Einstellung auch durch Abgleich von eventuell
vorhandenen Ausgleichwiderständen durchgeführt
werden. Zur Ermittlung der Endlagen befindet sich die Armatur entweder
im geschlossenen oder im offenen Zustand. Im geschlossenen Zustand
wirkt die restliche Federkraft des Antriebes über die Kupplung
auf die Sitzringe der Armatur. Die gemessene Kraft wird in einer
Tabelle bzw. in einer Software festgehalten. Um eine Armatur in
eine andere Stellung zu bewegen, ist der Antrieb umzusteuern. Mit
Hilfe eines Ampermeters ist bei Bewegung des Antriebes der höchste
Ausschlag zu beobachten und ebenfalls als Grenzwert in die Tabelle
bzw. die Software einzutragen. Somit gilt der höchste Wert
als Basiswert, welcher einen Ma ximalwert für normale Kräfte
ohne schädliche Einwirkung oder Fehler darstellt. Innerhalb
bestimmter Grenzwerte wird somit der Basiswert für das Losreissmoment
ermittelt. Dieser Messvorgang bzw. die Bestimmung der Basiswerte
kann mehrmals wiederholt werden um geeignete Bereiche mit ihren
Ober- bzw. Untergrenzen zu definieren. Dabei ist es wichtig, dass die
Differenzdrücke über die Armatur mitgemessen werden.
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Des
Weiteren ist es bevorzugt, dass in vorgegebenen Intervallen und über
einen vorgegebenen Zeitraum die Messung des zu übertragenden
Drehmomentes durchgeführt wird. Dabei können die
Intervalle sowie der Messzeitraum abhängig von der Anwendung
bzw. der Situation gewählt werden.
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Bevorzugterweise
wird bei Über- bzw. Unterschreiten der vorher festgelegten
Ober- bzw. Untergrenzen ein Alarm ausgegeben. Dabei kann der Alarm
z. B. als Lichtsignal oder auch als Tonsignal erfolgen. Weiterhin
ist es möglich, dass der Alarm zusätzlich mit
dem Messwert angezeigt wird und erst ab einer bestimmten Anzahl
der aufgetretenen Unter- bzw. Überschreitungen ein akustisches
bzw. ein Lichtsignal ausgegeben wird. Dazu wird ein Zähler
mit einstellbarem, bzw. programmierbarem Limit verwendet.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die Messwerte abgespeichert werden. Dabei
werden zusätzlich zu den Messwerten vorzugsweise zugeordnete
Werte mit erfasst und abgespeichert. Zur Auswertung der gemessenen
Werte ist es deshalb vorteilhaft, z. B. den Ventilzustand des Magnetventils
mit jedem gemessenen Messwert des Losreissmomentes mit abzuspeichern.
Weiterhin wäre es vorteilhaft, den Zeitpunkt des Messwertes
mit abzuspeichern.
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Bevorzugterweise
können die Messintervalle in Abhängigkeit der
gemessenen Drehmomentwerte variiert werden. Z. B. könnten
die Messintervalle verlängert werden, falls über
einen längeren Zeitraum konstante Drehmomentwerte ermittelt
wurden, da in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit für eine
auftretende Störung sinkt. Bei häufiger auftretenden Über-
bzw. Unterschreitungen der vorgegebenen Grenzen wäre dagegen
eine Verringerung der Messintervalle angemessen.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen anhand besonders
bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kupplung;
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2 eine
weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kupplung;
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3 eine
weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kupplung;
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4 eine
schematische Darstellung zeigend die Anordnung sowie die Anschlusspunkte
der Dehnungsmessstreifen;
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5 ein
Blockschaltbild zeigend den Anschlussplan der erfindungsgemäßen
Kupplung;
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6 eine
Darstellung der Kraftverteilung in der Kupplung bei installiertem
Drehantrieb auf eine Armatur;
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7 eine
weitere Darstellung der Kraftverteilung in der Kupplung bei installiertem
Drehantrieb auf eine Armatur;
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8 eine
weitere Darstellung der Kraftverteilung in der Kupplung bei installiertem
Drehantrieb auf eine Armatur; und
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9 eine
weitere Darstellung der Kraftverteilung in der Kupplung bei installiertem
Drehantrieb auf eine Armatur.
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10 ein
Diagramm zeigend den Verlauf des Losreissmomentes im Ausgangszustand
sowie in verschiedenen, möglichen Fehlersituationen; und
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11 eine
perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kupplung mit Anschlussbox.
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1, 2 und 3 zeigen
schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen
Kupplung 100. Die erfindungsgemäße Kupplung 100 weist
im Wesentlichen eine zylindrische Form auf wobei an zwei gegenüberliegenden
Positionen Aussparungen 16a zur Anbringung der Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 vorgesehen
sind. Dabei dienen die Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 zur
Torsionsmessung und somit zur Messung der Stellkräfte zwischen
Antrieb 40 und Armatur 41. Durch die Verwendung
der Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 wird
die Formänderung, z. B. Verdrillung, an der Oberfläche
der Kupplung erfasst. Dazu sind vier Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 derart
angeordnet, dass jeweils zwei Messstreifen nebeneinander und parallel
zueinander in Längsrichtung zur Mittelachse der Kupplung 100 in
einer der beiden Aussparungen 16a auf der Kupplungsoberfläche
angebracht sind. Die zwei weiteren Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 sind
in gegenüberliegender Position ebenfalls nebeneinander
und in gleicher Weise in einer vorgesehenen Aussparung auf der Kupplungsoberfläche
angeordnet. Zum Zusammenschluss der Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 zu
einer geeigneten Schaltung sowie zum Anschluss an die Auswerteeinheit
weisen die Dehnungsmessstreifen Anschlussvorrichtungen 14,
z. B. einen Kabelan schluss, auf. Zum Schutze vor Feuchtigkeit werden die
Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 mit
einem Feuchtigkeitsschutz 15, 16 abgedeckt.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung der Anordnung der Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 sowie
die Verschaltung zu einer DMS-Brückenschaltung. Die DMS-Brückenschaltung
wird durch geeignetes Zusammenschalten der vier Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 gebildet
indem DMS 10 mit DMS 11 sowie DMS 11 mit
DMS 12 und DMS 12 mit DMS 13 und DMS 13 mit
DMS 10 elektrisch miteinander verbunden sind. An den jeweiligen
Verbindungen zwischen zwei Dehnungsmessstreifen ergeben sich somit
insgesamt vier Anschlüsse 17, 18, 19, 20.
Dabei dienen Anschluss 18 und 20 zur Einspeisung
der Versorgungsspannung und die beiden Anschlüsse 17 und 19 zum
Abgreifen der Messwerte.
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5 zeigt
eine Blockschaltung eines Anschlussplanes der erfindungsgemäßen
Kupplung 100, Messeinheit 200 und der Auswerteeinheit 300 (nicht
in der Zeichnung dargestellt) zur Einspeisung der Versorgungsspannung
sowie zum Abgriff der Messwerte. Die Dehnungsmessstreifen 10, 11, 12, 13 sind
gemäß den 1 bis 4 auf
der Kupplung 100 angebracht und zu einer DMS-Brückenschaltung
zusammengeschaltet. Über die Anschlüsse 17, 18, 19, 20 wird
die Messschaltung mit einer Anschlussbox 21 verbunden.
Die beiden Anschlüsse 17 und 19 werden
dabei über die Eingänge 24 und 36 der
Anschlussbox 21 verbunden und in einen Verstärker 22 eingespeist.
Dabei liefert der Verstärker ein Ausgangssignal von 4–20
mA mit einem Nullpunkt von 12 mA. Die beiden Verstärkerausgänge
werden über die Anschlüsse 25 und 26 der
Anschlussbox mit einem Trennwandler 27 verbunden. Somit
stehen die Messwerte in Form von Differenzstromstärken
an den beiden Ausgängen 28 und 29 des
Trennwandlers 27 zum Abgriff zur Verfügung. Der
Anschluss der Versorgungsspannung erfolgt über die Anschlüsse 30 und 31 und
dient zur Versorgung des Verstärkers 22 über
den Trennwandler 27 sowie zur Versorgung der Messeinheit 200 über
den Transmitter 32. Die abgegriffenen Messwerte können
somit zur weiteren Verarbeitung, Aufzeichnung sowie Überwachung
an ein zentrales Leitsystem weitergeleitet werden. Außerdem
kann das zentrale Leitsystem zur Speisung der Versorgungsspannung über
die Anschlüsse 30 und 31 dienen. Dazu
wird eine Konstanteinspeisung einer elektrischen Gleichspannung
zwischen 12 und 24 V vom Leitsystem zur Verfügung gestellt.
Die Versorgung mehrerer Kupplungen 100 bzw. Messeinheiten 200 über
ein zentrales Leitsystem sowie der Abgriff der Messwerte von mehreren
Kupplungen 100 von einem Leitsystem ist mit der beschriebenen
Anordnung leicht realisierbar. Die Messaufnehmer der betriebenen
Messeinheit sind passiv und weisen eine Widerstandsgenauigkeit von
+/–0,3 Ohm auf. Der Einsatzbereich ist für Temperaturen
zwischen –12 und +45°C ausgelegt. Die beschriebene
Schaltung weist eine sehr geringe Temperaturabweichung (0–0,8%
vom Endwert) auf. Die Hysterese der Messeinheit ist kleiner als 0,2%.
Somit ist der resultierende Gesamtfehler der Messeinheit kleiner
als 1,4% vom Endwert.
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Die 6 bis 9 zeigen
das Verhalten der erfindungsgemäßen Kupplung 100 bei
installiertem Drehantrieb auf eine Armatur 41. Um die Gleichheit
der Kräfte im Betriebszustand zu erzielen, werden immer die
Reibungs- oder die Widerstandskräfte von der Armatur auf
das Messergebnis Einfluss nehmen. 6 zeigt den
Ausgangszustand bei aufgebauter Kupplung 100 mit Messeinheit 200 wobei
die Kupplung 100 noch nicht bewegt wurde. Das Messergebnis
ist 12 mA und entspricht dem Nullpunkt. Die 7 bis 9 zeigen
die Kräfte F1 und F2 welche in Abhängigkeit mit
der Drehrichtung auftreten. Dabei sind die auftretenden Reibkräfte von
den Presskräften der Sitzringe, der Auskleidung, der Stopfbuchsen
und der Differenzdrücke über die Armatur 41 abhängig.
Die gemessenen Werte im Stillstand des Antriebes 40 zeigen
nach der ersten Bewegung die Widerstandskräfte innerhalb
der Armatur 41 (8 und 9). Der
Normalzustand ist erreicht, falls sich das Messergebnis im vorgegebenen
Li mit befindet. Erhöhte Abweichungen von den Basiswerten
deuten auf solche Veränderungen hin, die zu Störungen
führen können.
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Im
Folgenden wird das beispielhafte Verhalten der Kräfte in
der Armatur 41 anhand der 6 bis 9 beschrieben:
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6 zeigt
das Gleichgewicht der Kräfte im Ausgangszustand: F1 × r1 = F2 × r2.
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Wird
die Kraft F1 durch einen Kolben erzeugt und F2 durch eine Feder,
so entsteht das Gleichgewicht, wenn keine fremde Kraft (z. B. Reibung)
einwirken kann. In der Praxis treten jedoch je nach Drehrichtung
zusätzliche Kräfte, FR1 und FR2 auf. Diese zusätzlichen
Kräfte sind jeweils die Summe aus Reib-, Press- und Strömungskraft.
Somit werden bei der Messung der Kräfte diese zusätzlichen
Kräfte FR1 und FR2 ebenso gemessen wie das Drehmoment in
blockiertem Zustand der Armatur 41. Verglichen mit den
ermittelten Basiswerten ergeben die Kräfte somit ein Qualitätsmerkmal
für den Zustand der Armatur 41. Je nach Drehrichtung
gilt somit F1 × r1 = F2 × r2
+ FR2oder bei entgegengesetzter Drehrichtung F2 × r2
= F1 × r1 + FR1.
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Bei
Nichtvorhandensein der Kräfte FR1 oder FR2 hat die Stopfbuchse
beispielsweise keine Reibung und die Anpresskräfte auf
die Sitzringe sind nicht vorhanden. Dieser Zustand deutet beispielsweise
auf eine undichte Armatur 41 hin. Des Weiteren kann die
Kraft durch eine gebrochene Welle nicht auf den Körper
der Armatur 41 wirken. Somit kann bei Nichtvorhandensein
bzw. nicht gemessenen Kräften FR1 und FR2 auf einen Fehler geschlossen
werden. Außerdem deutet ein Überschreiten der
Kräfte FR1 und FR2 einer zulässigen Toleranz auf
einen Fehler hin.
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10 zeigt
in einem Diagramm den Verlauf des Losreissmomentes in verschiedenen
Betriebszuständen. Die Stellung des Magnetventils wird
durch die Magnetventilstellung 37 parallel zu den auftretenden Kräften
des Losreissmomentes angezeigt. Dabei bedeutet ein Pulsausschlag
nach oben den eingeschalteten Zustand des Magnetventils sowie ein
Pulsausschlag zurück nach unten den ausgeschalteten Zustand
des Magnetventils. Der Verlauf der Magnetventilstellung 37 wird
auf der horizontalen Achse angezeigt. Auf der vertikalen Achse werden
die durch die Messschaltung ermittelten Stromstärken und
das daraus resultierende Losreissmoment dargestellt. Der Basiswert
für ein Ventil wird immer im Neuzustand oder nach einer
Reparatur ermittelt. In 10 zeigen
dabei die Zustände A bis G das resultierende Losreissmoment
während einer Erstinbetriebnahme. Jegliche spätere
Abweichung von der Aufzeichnung spiegelt dadurch eine Veränderung
innerhalb und außerhalb der Armatur 41 wieder.
Als Ausgangsposition bei eingeschalteter Versorgungsspannung, gelöstem
Antrieb 40, innerhalb des Kupplungsspiels, ohne Krafteinwirkung
ergibt der ermittelte Messwert den sogenannten Nullpunkt mit 12
mA. Zustand B zeigt die Erstinbetriebnahme unter Prozessbedingungen.
Dabei entsteht das höchste Losreissmoment. Hierin sind
alle Kräfte, die innerhalb der Armatur 41 wirken
gemessen, z. B. Stopfbuchse, Kräfte der Sitzringe, Differenzdruck
sowie weitere Kräfte. Zustand C zeigt den Normalzustand.
Der Drehrichtungswechsel wird durch die Magnetventilstellungsänderung
von AUF nach ZU eingeleitet. Der Richtungswechsel geschieht dabei über
den Nullpunkt (12 mA) hinweg. Zustand D zeigt das höchste
Losreissmoment in der anderen Richtung. Im Normalfall ist das hier
gemessene Losreissmoment weniger als beim Auffahren, weil hier der
Differenzdruck nicht einfließt. Bei geöffnetem
Ventil wirkt der Differenzdruck nicht so stark ein. Zustand E zeigt
den Zustand der Sitze und der Stopfbuchse. Dies gilt nur, falls
der Antrieb 40 nicht an einem An schlag anliegt. Bei einem
Antrieb 40 ohne Federkraft würde das Ergebnis
gleich dem Nullpunkt (12 mA) entsprechen. Dadurch wird die Federkraft
als Indikator für ein Messergebnis herangezogen. Mit Hilfe der
Kraft der Feder werden somit der Zustand der Armatur 41 und
die Kräfte des Antriebes 40 geprüft.
Ein Fehlerfall würde z. B. vorliegen, falls trotz Federkraft
ein Ergebnis von 12 mA (Nullpunkt) ermittelt würde. In
einem solchen Fall wäre davon auszugehen, dass z. B. die
Sitzringe nicht mehr fest genug anliegen, welches eine erhöhte
Leckrate oder eine undichte Armatur 41 zur Folge hätte.
Zustand F deutet beispielsweise auf ein erhöhtes Losreissmoment
hin. Bei einer einmaligen Erhöhung würde sich
das Losreissmoment in einem vertretbaren Rahmen halten und eine
weitere Beobachtung wäre anzuraten. Bei länger
andauernder Verlängerung wie z. B. einer erneuten Erhöhung
ist von einer eintretenden Störung auszugehen. Bleiben
jedoch die gemessenen Werte im Bereich der ermittelten Basiswerte,
so ist dies ein Indikator für den guten Zustand der Armatur 41.
Der Messbereich der dargestellten Messeinrichtung geht von 4 mA
bis 20 mA wobei der Mittelwert, 12 mA dem Nullpunkt entspricht und
4 mA sowie 20 mA die unteren bzw. oberen Endwerte der Messscala
darstellen. Vorher festgelegte Bereiche im Bereich der Basiswerte
zeigen somit einen guten Zustand der Regelvorrichtung 41.
Ein Über- bzw. Unterschreiten der vorher festgelegten Bereichsgrenzen
deuten auf eine Störung bzw. einen Fehler hin. In 10 sind
diese Bereichsgrenzen durch die Markierungen alpha, betta, gamma
und delta angezeigt. Somit befindet sich der gewünschte
Bereich für das Losreissmoment bei eingeschalteter Ventilstellung
zwischen den Markierungen alpha und delta. Im ausgeschalteten Ventilzustand
befindet sich der gewünschte Bereich zwischen betta und
gamma. Zustand J zeigt beispielsweise ein Losreissmoment unterhalb der
gewünschten Grenzlinie delta. Zustand K zeigt ebenfalls
ein kleineres Losreissmoment. Eine mögliche Ursache könnten
hier verkleinerte Reibkräfte innerhalb der Armatur 41 sein.
Mögliche Ursachen für einen nicht erreichten Basiswert
im geschlossenen Zustand des Ventils könnten z. B. darin
liegen, dass die Federkraft nicht wirksam ist, die Sitzringe nicht
mehr die nötigen Dicht- und Presskräfte aufweisen,
die Sitze ausgewaschen, abgetragen, abgerieben sind, die Stopfbuchse
nicht mehr die nötigen Dichtkräfte aufweist oder
die Federkraft durch einen Anschlag im Antrieb 40 aufgehoben
ist. Die in den Zuständen L und M ermittelten Werte deuten
auf eine blockierte Armatur 41 hin. Dabei übertreffen
die ermittelten Werte alle anderen Werte und befinden sich im oberen
bzw. unteren Grenzbereich des verfügbaren Messbereiches.
Ein solcher Zustand deutet beispielsweise auf eine noch wirksame
Federkraft hin. Ein erforderliches Abbauen des Antriebes 40 kann
somit erst nach gelöster Federkraft vorgenommen werden.
Die Zustände N und O zeigen ähnlich wie die Zustände J
und K kleinere Losreissmomente und deuten somit auf verkleinerte
Reibkräfte innerhalb der Armatur 41 hin. Größere
Losreissmomente wie z. B. in den Zuständen H und I deuten
dagegen auf erhöhte Reibungskräfte innerhalb einer
geschlossenen Armatur 41 hin. Bei zu hohem bzw. zu niedrigem
Drehmoment kann z. B. zusätzlich ein Alarm ausgegeben werden.
Des Weiteren können die Werte über einen gewissen
Zeitraum und mit jeweils zugeordnetem Zustand der Magnetventilstellung 37 aufgezeichnet
bzw. ausgegeben werden. Dabei könnte die Ausgabe über
einen Bildschirm, ein Display, einen Drucker oder ein anderes Ausgabemedium
geschehen. Momentan gemessene Werte sowie die zugehörige
Magnetventilstellung 37 kann zusätzlich über
ein Analog- oder Digitalanzeige angezeigt werden.
-
11 zeigt
eine erfindungsgemäße Kupplung 100 zwischen
Antrieb 40 und Armatur 41 einschließlich einer
Brücke 38. Eine Anschlussbox 21 ist an
der Brücke 38 befestigt und mittels Kabelverbindungen 39 mit der
Messeinheit 200 auf der Kupplung 100 verbunden.
Die Anschlussbox 21 beinhaltet eine Verstärkerschaltung 22 zur
Verstärkung der Messsignale sowie Anschlussklemmen 23, 24, 25, 26, 33, 34, 35, 36 zum
Abgriff bzw. zur Weiterleitung der gemessenen Werte an eine zentrale
Leitstelle. Alternativ könnten auch weitere Funktionen
in der Anschlussbox 21 angeordnet sein. Des Weiteren wäre
es denkbar, den Verstärker 22 an einer ande ren
Stelle auf der Kupplungsoberfläche oder als Zwischenelement
in der Kabelverbindung 39 zwischen Kupplung 100 und
zentraler Leitstelle anzubringen.
-
- 100
- Kupplung
- 10,
11, 12, 13
- Dehnungsmessstreifen
(DMS)
- 14
- Anschlussvorrichtung
für Dehnungsmessstreifen
- 15,
16
- Feuchteschutz
- 16a
- Aussparung
- 17
- Messanschluss
der DMS-Brückenschaltung
- 18
- Spannungsversorgungsanschluss
der DMS-Brückenschaltung
- 19
- Messanschluss
der DMS-Brückenschaltung
- 20
- Versorgungsspannungsanschluss
der DMS-Brückenschaltung
- 21
- Anschlussbox
- 22
- Verstärker
- 23,
24, 25, 26
- Anschlussklemmen
der Anschlussbox
- 27
- Trennwandler
- 28,
29
- Messwertabgriff
am Trennwandler
- 30,
31
- Versorgungsspannung
- 32
- Transmitter
- 33,
34, 35, 36
- Anschlussklemmen
der Anschlussbox
- 37
- Magnetventilstellung
Ein/Aus
- 38
- Brücke
- 39
- Kabelverbindung
- 40
- Antrieb
- 41
- Regelvorrichtung/Armatur
- 200
- Messeinheit
- 300
- Auswerteeinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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