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Die
Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Stellantrieb bestehend
aus einer elektrischen Einheit, einer pneumatischen Einheit, einem
Positionssensor und einem pneumatischen Antrieb zur Betätigung
eines Stellgliedes in einer Armatur gemäß Oberbegriff
des Schutzanspruches 1.
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Elektropneumatische
Stellantriebe werden bevorzugt in verfahrenstechnischen Anlagen
mit hohem Explosionsrisiko sowie mit hoher elektromagnetischer oder
radioaktiver Strahlungsbelastung eingesetzt, in denen andersartige
Antriebe unzulässig oder nur mit hohem zusätzlichen
Aufwand für Schutzmaßnahmen verwendbar sind.
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Stellantriebe
dieser Art dienen zur geregelten Betätigung von Klappen
und Ventilen. Derartige Ventile sind regelmäßig
mit Hubstangen oder Schwenkstangen versehen, die an einem Ende mit einem
elektropneumatischen Antrieb oder einem elektrischen Antrieb beaufschlagt
werden, wobei das gegenüberliegende Hubstangenende die
aufgeprägte Bewegung in den Ventilkörper derart
einbringt, dass dort ein Verschlusselement, beispielsweise ein Ventilteller,
betätigt werden kann. Ventile dieser Art sind als Prozessventile
eingesetzt und müssen online während eines laufenden
Prozesses betätigbar sein. Eine entsprechend geregelte
Nachstellung der Ventilantriebe erfolgt dabei durch sogenannte Stellungsregler,
der Gegenstand der elektrischen Einheit ist. Dieselben sind an dem
besagten Ventil zumeist seitlich angebaut. Die entsprechende Ventilstangenbewegung
wird dabei über einen mechanischen Abgriff auf den Stellungsregler übertragen.
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Ein
solcher Stellantrieb für Ventile der besagten Art ist aus
der
DE 42 39 432 C2 bekannt.
Hierbei wird beispielsweise eine Vertikalbewegung bzw. eine Längsbewegung
eines Ventilantriebsgliedes übertragen in eine Dreh- oder
Schwenkbewegung einer entsprechenden Abgriffswelle des Stellungsreglers. Hierzu
wird ein Übertragungsstift verwendet, der in eine Öffnung
des Antriebsgliedes des Ventils hineingreift. Die Hubbewegung nimmt
somit den besagten Stift in entsprechender Weise mit, der auf einem
Verschwenkelement eine Umwandlung der Hubbewegung in eine Drehbewegung
vornimmt, so dass die Eingangswelle des Stellungsreglers proportional
zur Hubbewegung eine Drehbewegung ausführt. Wichtig ist
hierbei in allen Fällen, dass die Übertragung
zwischen Antriebsglied und dem Stellungsregler möglichst
spielfrei ist. Je kleiner das dabei auftretende mechanische Spiel
ist, um so kleiner ist die sich daraus insgesamt ergebende Hysterese.
Die Minimierung derselben steht dabei im Vordergrund.
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Insbesondere
bei Großprozessventilen besteht das Problem, dass die Länge
der Übertragungsglieder zur Übermittlung der Hubbewegung des
Ventilantriebsgliedes zum Stellungsregler proportional zur Dimension
des Prozessventils wächst und mit größer
werdender Länge die Hysterese und damit die Messungenauigkeit
steigt. Darüber hinaus stellt bereits die Masse der Übertragungsglieder
eine verschleißbehaftete Belastung der Abgriffswelle des Stellungsreglers
dar, die die Messgenauigkeit im Betrieb weiter vermindert. Weiterhin
sind bei vielen Anwendungen Vibrationen zu beobachten, sogar mit Beschleunigungswerten
größer der 10-fachen Erdbeschleunigung. Die wegen
der auftretenden Hysterese federvorgespannten mechanischen Abgriffelemente
neigen durch Vibration zu besonders starker Verschleiß.
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Druckmittelbetriebene
Stellantriebe sind aber nicht ausschließlich nur mit Hubantrieben
versehen. Ebenso sind Drehantriebe möglich, bei denen das
Ziel ist, sowohl den Abgriff als auch die Übertragung der
Längsbewegung in eine Drehbewegung spielfrei zu halten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen
Stellantrieb der gattungsgemäßen Art derart weiterzuentwickeln, dass
die Genauigkeit der Messung der Hubbewegung des Ventilantriebsgliedes
bei möglichst geringer Hysterese unabhängig von
der Dimension des Stellantriebs und vom Verschleiß ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit den Mitteln des Schutzanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen
Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht von einem elektropneumatischen Stellantrieb bestehend
aus einer elektrischen Einheit, einer pneumatischen Einheit, einem Positionssensor
und einem pneumatischen Antrieb aus. Der Stellantrieb ist mit einer
Armatur verbunden. Die Betätigungseinheit der pneumatischen
Einheit ist über ein Antriebsglied mit dem Stellglied der
Armatur verbunden.
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Erfindungsgemäß ist
der Positionssensor unmittelbar mit dem Stellglied der Armatur verbunden
und mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet.
Dabei wird unter dem Stellglied der Armatur auch dessen einstückig
angeformtes Betätigungselement verstanden. Darüber
hinaus ist die elektrische Einheit des elektropneumatischen Stellantriebs
mit einer zu der des Positionssensors korrespondierenden drahtlosen
Kommunikationsschnittstelle ausgestattet. Durch den Wegfall mechanische Gelenke,
Kupplung oder Zahnräder ist die Anordnung verschleißfrei,
insbesondere gegenüber Vibrationsbelastung.
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Der
Positionssensor folgt unmittelbar und zwangsweise der Bewegung des
Stellglieds der Armatur. Damit ist der Messwert der Position des
Stellglieds in der Armatur unabhängig von der Dimension des
Stellantriebs hysteresefrei. Darüber hinaus entfällt
der Aufwand für die Übertragungsglieder zur mechanischen Übertragung
der Position zum Positionssensor ersatzlos.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Positionssensor mit
Mitteln zur dezentralen Energieversorgung ausgestattet. Damit entfällt
der Aufwand zur Verkabelung des Positionssensors mit der elektrischen
Einheit. Insbesondere in explosionsgefährdeten verfahrenstechnischen
Anlagen, in denen gemäß einschlägigen
Rechtsvorschriften elektrotechnische Einrichtungen Limitierungen
unterliegen, ist der Wegfall galvanischer Verbindungen zwischen
einzelnen Einrichtungen vorteilhaft.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die pneumatische Einheit
und der pneumatischen Antrieb zu einer Baueinheit zusammengefasst.
Damit entfällt der Aufwand für pneumatische Verbindungsleitungen
und Anschlussstellen. Darüber hinaus verringert sich die
Anzahl der Dichtstellen im pneumatischen System. Ein besonderer
Vorteil dieses Merkmals liegt in der Verringerung der Signallaufzeit
zwischen den Mitteln der pneumatischen Einheit und dem pneumatischen
Antrieb. Damit wird das Antwortverhalten des elektropneumatischen
Stellantriebs verbessert.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die elektrische Einheit
von der pneumatischen Einheit und der Armatur entfernt angeordnet.
Damit wird erreicht, dass insbesondere in verfahrenstechnischen
Anlagen mit hoher elektromagnetischer oder radioaktiver Strahlungsbelastung
der strahlungsunempfindliche pneumatische Antrieb unter Verzicht auf
vielgliedrige Kraftübertragungselemente unmittelbar mit
der Armatur verbunden und strahlungsempfindliche elektrische Einheit
in einem entfernt angeordneten, strahlungsgeschützten Bereich
untergebracht ist. Durch die freizügige Positionierbarkeit
der elektrischen Einheit wird darüber hinaus eine Verbesserung
der Handhabung von Bedien- und Beobachtungselementen der elektrischen
Einheit erreicht.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die elektrische Einheit
Schnittstellen zum Anschluss weiterer Messwertaufnehmer desselben
prozessualen Regelkreises auf. Vorteilhafterweise lassen sich aus
der Kombination von Messwerten und Stellwerten desselben prozessualen
Regelkreises der Verschleiß des Stellantriebs und der Armatur
ermitteln und somit vor deren Ausfall signalisieren.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Stellantriebs an einer
Klappenarmatur
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2 eine
Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Stellantriebs an einer
Ventilarmatur
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3 eine
Detaildarstellung des Positionssensors
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4 eine
Detaildarstellung der elektrischen Einheit
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5 eine
Prinzipdarstellung einer Prozessanordnung
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In 1 ist
ein elektropneumatischer Stellantrieb an einer Klappenarmatur dargestellt.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel
zeigt 2 einen elektropneumatischen Stellantrieb an einer
Ventilarmatur.
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Gemäß 1 und 2 besteht
der elektropneumatische Stellantrieb aus einer elektrischen Einheit 11,
einer pneumatischen Einheit 12, einem Positionssensor 13 und
einem pneumatischen Antrieb 14. Die elektrische Einheit 11 ist über
eine Anschlussleitung 111 mit der pneumatischen Einheit 12 verbunden.
Der pneumatische Antrieb 14 des Stellantriebs ist auf eine
Armatur 3 abgestützt.
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Die
pneumatische Einheit
12 wandelt das elektrische Stellsignal
in ein pneumatisches Stellsignal um. Dazu wird pneumatische Hilfsenergie
zugeführt. Diese sogenannten e/p Wandler sind bekannt und
beispielsweise in
DE
32 05 576 C2 beschrieben.
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Die
pneumatische Einheit 12 und der pneumatischen Antrieb 14 können
zu einer Baueinheit zusammengefasst sein. Damit entfällt
der Aufwand für pneumatische Verbindungsleitungen und Anschlussstellen.
Darüber hinaus verringert sich die Anzahl der Dichtstellen
im pneumatischen System. Ein besonderer Vorteil dieses Merkmals
liegt in der Verringerung der Signallaufzeit zwischen den Mitteln
der pneumatischen Einheit 12 und dem pneumatischen Antrieb 14.
Damit wird das Antwortverhalten des elektropneumatischen Stellantriebs
verbessert.
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Die
elektrische Einheit 11 ist von der pneumatischen Einheit 12 und
der Armatur 3 entfernt angeordnet. Das pneumatische System
bestehend aus der pneumatischen Einheit 12 und und dem
pneumatischen Antrieb 14 sowie die Armatur 3 sind
prozessnah im durch Explosionsgefahr beziehungsweise durch elektromagnetische
oder radioaktive Strahlung belasteten Bereich 5 angeordnet.
Die elektrische Einheit 11 ist in einem von diesen Belastungen
freien Bereich 6 angeordnet.
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Die
Armatur 3 weist ein bewegliches Verschlusselement 31 auf,
mit dem der freie Querschnitt einer Rohrleitung 2 einstellbar
ist. Zur gezielten Betätigung des Verschlusselements 31 weist
der pneumatische Antrieb 14 eine Hubstange 141 auf.
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Bei
der Klappenarmatur nach 1 wird die Hubbewegung der Hubstange 141 dem
Verschlusselement 31 mittels Hebel 142 in eine
Drehbewegung umgewandelt aufgeprägt. Bei der Ventilarmatur
nach 2 ist eine Kupplung 143 zur Verbindung
der Hubstange 141 und dem Ventilschaft des Verschlusselements 31 vorgesehen.
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Der
Positionssensor 13 des Stellantriebs ist auf dem Verschlusselement 31 angeordnet
und weist gemäß 3 ein Sensorelement 134 und
eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 131 auf. Darüber hinaus
verfügt der Positionssensor 13 über Mittel 132 zur
dezentralen Energieversorgung. Dazu kann in einer ersten Ausführungsform
vorgesehen sein, dass der Positionssensor 13 mit Solarelementen
ausgestattet ist. In einer weiteren Ausführungsform kann der
Positionssensor 13 mit Mitteln zur Umwandlung mechanischer
Energie in elektrische Energie ausgestattet sein. Dabei wird aus
der Drehbewegung des Verschlusselements 31 elektrische
Energie gewonnen. In einer dritten Ausführungsform kann
der Positionssensor 13 mit Mitteln zur Umwandlung kinetischer
Energie bewegter Materie in elektrische Energie ausgestattet sein.
Dabei wird die Bewegung des durch die Rohrleitung 2 und
die Armatur 3 strömenden Mediums zur Erzeugung
elektrischer Energie nutzbar gemacht. Alternativ wird aus der zum
Betrieb des elektropneumatischen Stellantriebs erforderlichen Druckluft
elektrische Energie gewonnen. Dazu kann eine Turbine vorgesehen
sein. Zusätzlich ist der Positionssensor 13 mit
einem Akkumulator 133 zur Speicherung elektrischer Energie
ausgestattet. Damit werden Zeiten überbrückt,
in denen die primäre mechanische oder kinetische Energie
bewegter Materie temporär nicht zur Verfügung
steht.
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Der
Positionssensor 13 folgt unmittelbar und zwangsweise der
Bewegung des Verschlusselements 31 der Armatur 3.
Dazu kann vorgesehen sein, den Positionssensor 13 an der
in 2 mit dem Bezugszeichen 13a bezeichneten
Position an dem einstückig an das Verschlusselement 31 angeformten Betätigungselement
anzuordnen. Alternativ kann vorgesehen sein, den Positionssensor 13 an
der in 2 mit dem Bezugszeichen 13b bezeichneten
Position unmittelbar an dem Verschlusselement 31 anzuordnen.
In der alternativen Ausführungsform wird direkt die Abmessung
der aktiven Ventilöffnung erfasst. Damit ist der Messwert
der Position des Verschlusselements 31 in der Armatur 3 unabhängig
von der Dimension des Stellantriebs hysteresefrei. Toleranzen und
mechanische Lose der Kraftübertragungsglieder zwischen
dem Stellantrieb und dem Verschlusselement 31 bleiben ohne
Einfluss auf den Positionsmesswert. Der ermittelte Positionsmesswert
wird über die drahtlosen Kommunikationsschnittstelle an
die elektrische Einheit 11 übertragen. Die drahtlose
Kommunikationsschnittstelle des Positionssensors 13 ist
als Funksender ausgebildet.
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Die
elektrische Einheit 11 umfasst gemäß 4 einen
Mikrocontroller 112, an den eine Anzeigeeinheit 113 und
eine Tastatur 114 angeschlossen sind, sowie eine zu der
des Positionssensors 13 korrespondierende drahtlose Kommunikationsschnittstelle,
die als Funkempfänger ausgebildet ist. Darüber
hinaus ist die elektrische Einheit 11 mit Messwertanschlüssen 115 zum
Anschluss weiterer Messwertaufnehmer desselben prozessualen Regelkreises ausgestattet.
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In 5 ist
eine Prozessanordnung ausschnittweise prinzipiell dargestellt. Der
prozessuale Regelkreis betrifft einen Abschnitt einer Rohrleitung 2,
in dem eine Armatur 3 mit einem Stellantrieb 1 zur Steuerung
des Durchflusses eines in der Rohrleitung 2 strömenden
Mediums angeordnet ist. Der Abschnitt einer Rohrleitung 2 ist
darüber hinaus mit einem Temperatursensor 21,
einem Drucksensor 22, einem Durchflusssensor 23 und
einem Differenzdrucksensor 24 ausgestattet. Der Temperatursensor 21,
der Drucksensor 22, der Durchflusssensor 23 und
der Differenzdrucksensor 24 sind jeweils für sich
mit der elektrischen Einheit 11 des Stellantriebs 1 verbunden.
Dazu sind jeweils Anschlussleitungen zwischen den Messwertanschlüssen 115 der
elektrischen Einheit 11 und den Sensoren 21, 22 und 23 vorgesehen. Aus
der Kombination von Messwerten für die Temperatur, den
Druck, den Differenzdruck über dem Ventil und den Durchfluss
wird der Verschleiß des Stellantriebs und der Armatur ermittelt.
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So
sind für ein gegebenes Ventil, das zum Beispiel zur Regelung
einer Gasströmung eingesetzt wird, der Differenzdruck über
dem Ventil, die das Ventil durchströmende Gasmenge und
die Ventilstellung über die sogenannte Ventilkennlinie
miteinander verknüpft. Stehen als Messgrößen
Durchfluß und Druck zusätzlich zur Ventilstellung
zur Verfügung, kann aus einer Änderung des Verhältnisses
der Größen zueinander auf Änderung und
Verschleiß am Ventilkegel durch Abrasion oder Kavitation
geschlossen werden.
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- 1
- Stellantrieb
- 11
- elektrische
Einheit
- 111
- Anschlussleitung
- 112
- Mikrocontroller
- 113
- Anzeigeeinheit
- 114
- Tastatur
- 115
- Messwertanschluss
- 116
- Empfänger
- 12
- pneumatische
Einheit
- 121
- Druckluftanschluss
- 13
- Positionssensor
- 131
- Sender
- 132
- Energieversorgung
- 133
- Energiespeicher
- 134
- Sensorelement
- 14
- pneumatischer
Antrieb
- 141
- Hubstange
- 142
- Hebel
- 143
- Kupplung
- 2
- Rohrleitung
- 21
- Temperatursensor
- 22
- Drucksensor
- 23
- Durchflusssensor
- 3
- Armatur
- 31
- Verschlusselement
- 5
- belasteter
Bereich
- 6
- belastungsfreier
Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4239432
C2 [0004]
- - DE 3205576 C2 [0024]