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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Drehmomenterfassung in einer Stellventilbaugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine solche Messeinrichtung aufweisende Stellventilbaugruppe nach Anspruch 9.
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Die
DE 10 2012 111 883 A1 offenbart einen gattungsgemäßes Stellventilbaugruppe. Bei der gattungsgemäßen Stellventilbaugruppe ist ein Ventilantrieb über ein Joch mit einem Stellventil verbunden. Zwischen dem Ventilantrieb und dem Stellventil ist eine Drehmomentmesskupplung zwischen Antriebsstange und Ventilstange eingeschaltet, um die dort wirkenden Drehmomente zu erfassen. Die erfassten Messwerte werden an eine am Joch angebrachte Verstärkereinheit weitergegeben.
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Der Aufbau ist aufwändig, da alle Elemente separat an die Ventilbaugruppe angebunden werden müssen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine kompakte Anordnung zu schaffen, welche in einfacher Weise in Stellventilbaugruppen integriert werden kann, wobei der Verrohrungs- und Verkabelungsaufwand reduziert werden soll.
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Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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In bekannter Weise umfasst eine in eine Stellventilbaugruppe integrierbare Messeinrichtung zum Aufnehmen eines Drehmoment-Verlaufs oder eines Kraft-Verlaufs, einen Messwandler, der ein Gehäuse aufweist, wobei im Gehäuse ein Kraft- und /oder Drehmoment-Aufnehmer vorgesehen ist.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse eine erste und eine, der ersten Gehäusewand gegenüberliegende zweite Gehäusewand umfasst, die jeweils von einer Drehmoment-Messwelle durchsetzt sind. Die Drehmomentmesswelle ist ferner zwischen den beiden Gehäusewänden verlustsicher gehalten, wobei ferner das Gehäuse derart ausgestaltet ist, dass die Messeinrichtung über die erste Gehäusewand mit einem Ventilgehäuse und über die zweite Gehäusewand mit einem Antriebsgehäuse jeweils über Gehäuseanschlussmittel lösbar verbindbar ist. Die Verbindung mit dem Ventilgehäuse kann und dem Ventilantrieb kann unmittelbar oder mittelbar erfolgen. So kann die Messeinrichtung beispielsweise zwischen dem mit dem Stellventil verbundenen Joch und dem Antrieb, oder zwischen dem Antrieb und dem Stellventil liegen.
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Die Gehäuseanschlussmittel können in Form von Verbindungsflanschanschlüssen ausgebildet sein.
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Wesentlich ist, dass das Gehäuse die strukturelle Verbindung zwischen dem Ventil auf der einen Gehäuseseite mit einem Ventilgehäuse und auf der anderen Seite mit einem Antriebsgehäuse herstellt.
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Das Gehäuse ist entsprechend so dimensioniert, dass es die statische Struktur zwischen einem Stellventil und Antrieb bilden kann. Das Gehäuse trägt die Torsions- und Gewichtskräfte. Da dieses Gehäuse das gesamte Torsionsmoment und Gewichtskräfte sowie Vibrationen des Antriebes und der Verrohrung standhalten muss sind die Dimensionierungen wesentlich stabiler als für übliche Messei nrichtungsgehäuse.
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Indem das Gehäuse der Messeinrichtung gleichzeitig ein Strukturteil der Stellventilbaugruppe bildet, kann ein einfacher und genormter Aufbau erfolgen, wobei auf einfache Weise auch eine Drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Antrieb und dem Stellventil hergestellt werden kann.
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Dadurch kann ein erheblicher Aufwand an Verkabelung und Verrohrung eingespart werden, da alle wichtigen Funktionsblöcke einer Ventilbaugruppe, insbesondere einer Sicherheitsventilbaugruppe mit Diagnosefunktion, an einer besonders günstigen Stelle zwischen dem Ventilkörper und dem Antriebselement in einer Messeinrichtung zusammengefasst sind.
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Dazu ist die Messeinrichtung derart ausgebildet, dass die Drehmoment-Messwelle einen antriebsseitigen Anschluss zur Verbindung mit einer Antriebsstange und / oder einen abtriebsseitigen Anschluss zur Verbindung mit einer Ventilstange aufweist.
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Die Anschlüsse dienen insbesondere der lösbaren Verbindung mit der Antriebsstange, welche von einem Drehantrieb mit einer Drehbewegung beaufschlagt wird und / oder der lösbaren Verbindung mit einer Ventilstange, die mit dem Drosselelement verbunden ist, und dieses in eine Drehbewegung versetzt.
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Bei nur einem Anschluss kann die Drehmoment-Messwelle nicht lösbar mit der Ventilstange und / oder bevorzugt mit der Antriebsstange stoffschlüssig verbunden oder einteilig ausgeführt sein.
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So kann die Messeinrichtung auf einfache Weise unmittelbar in den Übertragungsweg zwischen Ventilstange und Antriebsstange eingesetzt werden.
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Bevorzugt weist die Drehmoment-Messwelle Anschläge auf, die derart ausgestaltet sind, dass diese die Bewegung der Welle gegenüber der ersten und der zweiten Gehäusewand begrenzen. Dadurch kann die Drehmoment-Messwelle auf einfache Weise in dem Gehäuse gehalten werden.
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Das radiale und axiale Spiel ist dabei bevorzugt so abgestimmt, dass im eingebauten Zustand in der Ventilbaugruppe keine Berührung der Abstützstellen der Messwelle zum Gehäuse der Messeinrichtung entsteht. Auf diese Weise werden Kraftnebenschlüsse, welche die Messergebnistoleranz negativ beeinflussen würden, vermieden werden.
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Die Drehmoment-Messwelle benötigt in der Regel einen maximalen Bewegungswinkel von 90°. Die mechanischen Anschläge der Drehmoment-Messwelle weisen bevorzugt Anschläge auf, die insbesondere gegen das Gehäuse der Messeinrichtung wirken. So kann das Weiterdrehen der Messwelle über einen definierten Winkel, der insbesondere zwischen 100°-120° liegt, verhindert werden.
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Im Gehäuse kann bevorzugt eine Auswerteeinheit angeordnet sein, die das Messsignal des Drehmoment-Aufnehmers auswertet.
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Die Übertragung der elektrischen Versorgung des Drehmoment-Aufnehmers vom stationären Gehäuse zur drehenden Messwelle kann kabelgebunden erfolgen, da sich die Welle nur in einem begrenzten Winkelbereich bewegt. So kann auch die Übertragung des Messsignals, zur Auswerteschaltung kabelgebunden erfolgen. Heutige Flachkabelverbindungen oder Flexplatinen-Verbindungen sind geeignet, dynamischen Biegungen lange standzuhalten.
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Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Elektronik zur Übertragung benötigt wird und da die Rohdaten direkt übertragen werden, auch keine Verluste der Datenqualität und der Auflösung des Messsignals entstehen. Alternativ wäre auch eine Schleifringübertragung geeignet.
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Moderne induktive Übertragungen oder auch Funkübertragungen sind ebenfalls möglich, die Sensorsignale der drehenden Welle auf die stationäre Seite der Messbox zu übertragen, allerdings mit einem größeren elektronischen Aufwand.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Drehmoment-Messwelle zusätzlich ein abtastbares sich winkellageabhängig, insbesondere kontinuierlich, veränderndes Muster aufweisen, das mit einer gegenüber dem Gehäuse fest angeordneten Mustererfassungseinrichtung zusammenwirkt. So kann die Messeinrichtung gleichzeitig das Drehmoment und den Drehwinkel erfassen.
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Das Muster kann ein magnetisches, optisches, kapazitives oder induktives Muster sein, wobei die Mustererfassungseinrichtung auf das Muster derart abgestimmt ist, dass es abhängig vom erfassten Muster, die Winkellage erfasst. Bei der Drehwinkelerfassung wird ein eindeutiges einem bestimmten Drehwinkel zuordenbares analoges Signal einem inkrementellem Messverfahren vorgezogen, da dadurch keine Referenzfahrten bei einem Neustart des Systems notwendig sind
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So kann eine magnetische Winkelerfassung erfolgen indem ein oder mehrere Magnete an der Messwelle umlaufend angebracht sind, welche messwellenwinkelabhängig kontinuierlich den Feldlinienwinkel oder die Feldstärke zu der einen AMR-Sensor oder Hall-Sensor aufweisenden Mustererfassungseinrichtung hin ändern.
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In das Gehäuse können ferner elektrische Anschlüsse aufgenommen sein. So kann ein elektrischer Anschluss zur Übertragung der Versorgungsspannung vorgesehen sein.
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Ferner kann die Messeinrichtung Kommunikationsschnittstellen zur Kommunikation mit einer außerhalb der Messeinrichtung liegenden Funktionseinheit, insbesondere einer Leitstelle, umfassen. Die Kommunikationsschnittstelle kann kabelgebunden ausgebildet sein, wozu wenigstens ein entsprechender Anschluss im Gehäuse angeordnet ist, oder kabellos.
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Die Auswerteeinheit umfasst bevorzugt einen Mikrokontroller und einen Speicher sowie Sensordatenerfassungsmittel, zur Erfassung der Sensordaten des Drehmoment-Aufnehmers oder der Mustererfassungseinrichtung, sowie Kommunikationsmittel zur Übertragung von Daten an externe Funktionseinheiten.
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Mit Hilfe des Mikrokontrollers kann die Auswerteeinheit auch eine statistische Auswertung der Messdaten vornehmen, wobei das Ergebnis ebenfalls mittels der Kommunikationsmittel übertragen werden kann.
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Die Sensordatenerfassungsmittel können insbesondere mit externen Temperatursensoren, Flusssensoren oder Drucksensoren verbunden werden.
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Die Messeinrichtung kann zudem im Inneren ihres Gehäuses eine elektrische Schaltanordnung umfassen, sowie mehrere Ein- und Ausgänge für Sensoren und / oder Schnittstellen zur Datenübertragung.
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Die Schaltanordnung kann über die Ein- und/oder Ausgänge einer zentralen Leitwarte oder einer beliebigen Steuereinheit zum Schalten des Sicherheitsmagnetventils kommunizieren. Die Schaltanordnung ist mit dem Sicherheitsmagnetventil verschaltet.
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Diese Schaltanordnung ist in der Weise aufgebaut, dass der Sicherheitskreis nicht beeinträchtigt wird.
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Die Messeinrichtung kann einen Versorgungsanschluss am Gehäuse und einen Ausgangsanschluss am Gehäuse aufweisen, die derart miteinander verbunden sind, dass die Versorgungsspannung an den Ausgangsanschluss durchgeschleift wird, wobei die Versorgungsspannung der Auswerteeinheit von dem Versorgungsanschluss abgegriffen wird.
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Dadurch kann am Versorgungsanschluss eine 24 V-Spannung einer Sicherheits-Verschaltung angeschlossen werden, welche zum Ansteuern von Sicherheitsmagnetventilen verwendet wird, wobei der Ausgangsanschluss mit einem Sicherheitsmagnetventil verbunden ist, welches bei Ausfall der 24 V-Versorgungsspannung in die Sicherheitsstellung schaltet.
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In dem Gehäuse der Messeinrichtung können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch ein IP-Wandler oder eine Motorsteuerung als Stellungsregler aufgenommen sein.
Zur Versorgung und Ansteuerung eines IP-Wandlers kann zusätzlich eine 4-20mA Stromschleife genutzt werden. In diesem Fall kann das Gehäuse sowohl ein 4-20mA als auch einen 24V Anschluss aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gehäuse pneumatische oder hydraulische Anschlüsse aufweisen. Wenigstens ein Anschluss kann beispielsweise in der ersten Gehäusewand und wenigstens ein weiterer Anschluss kann in der zweiten Gehäusewand vorgesehen sein. So können der erste Anschluss und der zweite Anschluss über eine Druckleitung miteinander verbunden sein und eine Durchleitung durch das Gehäuse darstellen. So wird es beispielsweise ermöglicht, eine pneumatische Steuerleitung vom IP-Wandler direkt durch die Messeinrichtung in den Antrieb zu führen ohne außen am Gerät Verrohrungen vornehmen zu müssen.
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Alternativ kann ein Anschluss auch über eine Druckleitung mit Drucksensoren im Inneren des Gehäuses verbunden sein. So kann durch die Messeinrichtung z.B. ein Antriebsdruck und oder ein Prozessmediumsdruck gemessen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung;
- 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung;
- 3 eine Seitenansicht einer Ventilbaugruppe mit einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 10 mit einem Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 weist eine erste Gehäusewand 14 und eine, der ersten Gehäusewand 14 gegenüberliegende zweite Gehäusewand 16 auf, die jeweils den Zugang zu einer Drehmomentmesswelle 18, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, ermöglichen. Die Drehmomentmesswelle 18 ist ferner zwischen den beiden Gehäusewänden 14, 16 verlustsicher gehalten, wobei ferner das Gehäuse 12 derart ausgestaltet ist, dass die Messeinrichtung 10 über die erste Gehäusewand 14 mit einem Ventilgehäuse und über die zweite Gehäusewand 16 mit einem Antriebsgehäuse jeweils über Gehäuseanschlussmittel 20, 22 lösbar verbindbar ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Gehäuseanschlussmittel 20, 22 in Form eines Flanschanschlusses ausgebildet, der entsprechende Ausnehmungen aufweist, um das Gehäuse 12 mit dem Antrieb und einem Joch oder einem Stellventil zu verschrauben. Die Ausnehmungen sind als Langlöcher ausgeführt, um eine Justierung zu ermöglichen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in dem Gehäuse 12 elektrische Anschlüsse 26, 28 angeordnet. Ein erster elektrischer Anschluss 26 sorgt für die Energieversorgung der Messeinrichtung, wobei der zweite Anschluss 28 einen Spannungsausgang zur Steuerung einer externen Funktionseinheit, wie beispielsweise einem Magnetventil, aufweist.
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2 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 10, wobei das Gehäuse 12 eine erste Seitenwand 14 aufweist, wobei die Seitenwand 14 derart ausgebildet ist, dass sie die Messeinrichtung nicht nur stirnseitig, sondern auch umlaufend, begrenzt.
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Das Gehäuse 12 wird durch die zweite Seitenwand 16 vollständig abgeschlossen, wobei die Seitenwand 14 eine Öffnung 30 und die zweite Seitenwand 16 eine Öffnung 32 aufweist, die den Zugang zu der in dem Gehäuse 12 aufgenommenen Drehmomentmesswelle 18 ermöglicht.
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Die Drehmomentmesswelle 18 weist an der Seite der ersten Seitenwand 14 einen Anschluss 34 mit einer Innenkontur in Form eines Vielkants, insbesondere eines Vierkants, auf, um eine ein Drehmoment übertragende Steckverbindung mit, insbesondere der Ventilstange, bereitzustellen.
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Auf der Seite der zweiten Seitenwand 16 weist die Drehmomentwelle einen Anschluss 36 mit einer vielkantigen, insbesondere vierkantigen Außenkontur auf. Der antriebsseitige Anschluss zur Verbindung mit einer Antriebsstange und der abtriebsseitige Anschluss zur Verbindung mit einer Ventilstange sind zueinander in Form einer formkomplementären Mehrkant-Verbindung ausgebildet. Dies ermöglicht die einfache Zwischenschaltung der Messeinrichtung in bestehende Antriebs- / Ventilstangenverbindungen. Die Drehmomentmesswelle 18 weist der ersten Seitenwand 14 zugewandt einen ersten Bund 38 auf, der einen größeren Außendurchmesser besitzt als die Öffnung 30 einen Innendurchmesser besitzt.
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Dadurch ist ein axialer Anschlag für die Drehmomentmesswelle in Richtung der ersten Seitenwand 14 gegeben.
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Die Drehmomentmesswelle 18 weist der zweiten Seitenwand 16 zugewandt einen zweiten Bund 40 auf, der einen größeren Außendurchmesser besitzt als die Öffnung 32 einen Innendurchmesser besitzt.
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Mit dieser Ausgestaltung ist die Drehmomentmesswelle 18 verlustsicher in dem Gehäuse 12 zwischen der ersten Gehäuseseitenwand 14 und der zweiten Gehäuseseitenwand 16 gehalten.
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In der in 2 dargestellten Einbaulage ist die Drehmomentmesswelle 18 so zwischen Antriebsstange und Ventilstange gehalten, dass die Drehmomentmesswelle 18 das Gehäuse 10 nicht berührt.
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Die Drehmomentmesswelle 18 weist zwischen den Anschlüssen ein Torsionselement 42 auf, über das das anliegende Drehmoment über eine Drehmomenterfassungseinrichtung 44 aufgenommen werden kann. Ferner ist eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 46 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine magnetische Winkelerfassung erfolgt. Die Auswertung des Drehmoments und des Messwinkels wird über eine im Gehäuse 12 befestigte Platine 48 realisiert.
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Zudem ist zwischen der Drehmomentmesswelle und dem Gehäuse ein Drehwinkelanschlag 50 vorgesehen, der den Drehwinkel auf einen maximalen Drehwinkel begrenzt, der etwas über dem Arbeitswinkelbereich des Ventils von offen bis geschlossen Stellung liegt.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Ventilbaugruppe 60 mit einer eingebauten erfindungsgemäßen Messeinrichtung 10 in Einbaulage.
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Die Messeinrichtung 10 ist zwischen einem Antrieb 70 der Ventilbaugruppe und einem Stellventil 80 der Ventilbaugruppe eingebracht.
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Die Messeinrichtung ist über ihren Flanschanschluss an der antriebsseitigen zweiten Seitenwand 16 mit Hilfe von Schrauben 72 mit dem Gehäuse des Antriebs 70 unmittelbar verbunden.
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Abtriebsseitig ist die Messeinrichtung 10 über die erste Seitenwand 14 mit Hilfe von Schrauben 82 mit einem Joch 84 verschraubt, das wiederrum mit dem Gehäuse des Stellventils 80 verschraubt ist. Das Gehäuse 12 der Messeinrichtung bildet so ein Strukturelement der Ventilbaugruppe.
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Das Gehäuse 12 ist entsprechend so dimensioniert, dass es die statische Struktur zwischen einem Stellventil 80 und Antrieb 60 bilden kann. Das Gehäuse 12 trägt die Torsions- und Gewichtskräfte. Da dieses Gehäuse 12 das gesamte Torsionsmoment und Gewichtskräfte sowie Vibrationen des Antriebes und der Verrohrung standhalten muss sind die Dimensionierungen wesentlich stabiler als für übliche Messeinrichtungsgehäuse.
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Die erfindungsgemäße Messeinrichtung fungiert so als Strukturelement der Ventilbaugruppe und kann auf einfache Weise in Ventilbaugruppen integriert werden, die damit über eine Messeinrichtung erweitert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messeinrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- erste Gehäusewand
- 16
- zweite Gehäusewand
- 18
- Drehmomentmesswelle
- 20, 22
- Gehäuseanschlussmittel
- 26
- erster elektrischer Anschluss
- 28
- zweiter elektrischer Anschluss
- 30, 32
- Öffnung
- 34
- abtriebsseitiger Anschluss
- 36
- antriebsseitiger Anschluss
- 38
- erster Bund
- 40
- zweiter Bund
- 42
- Torsionselement
- 44
- Drehmomenterfassungseinrichtung
- 46
- Drehwinkelerfassungseinrichtung
- 48
- Platine
- 50
- Drehwinkelanschlag
- 60
- Ventilbaugruppe
- 70
- Antrieb
- 72
- Schrauben
- 80
- Gehäuse des Stellventils
- 82
- Schrauben
- 84
- Joch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012111883 A1 [0002]
