DE29811115U1 - Meßsystem zur Erfassung der Spindelkraft an Armaturen - Google Patents

Description

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22.6.1998

'Meßsystem zur Erfassung der Spindelkraft an Armaturen"

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur Erfassung der Spindelkraft an Armaturen, welche jeweils eine Armaturspindel zum Bewegen eines Schließkörpers aufweisen.

Die Anmturenfunktion wird während des Anlagenbetriebs durch Veränderungen der Reibwerte zwischen Spindel und Spindehnutter, Spindel und Stopfbuchse sowie zwischen Schließkörper und Gehäuse beeinflußt. Bei erhöhten Reibwerten infolge von Alterungseinflüssen oder Materialablagerungen können bei Spindelarmaturen bei gleichem aufgebrachtem Drehmoment zu geringe Stellkräfte für den Öfrhungs- und Schließvorgang auftreten und zu einem Fehlverhalten der Armatur führen. Bei verringerten Reibwerten können bei Spindelarmaturen die durch den Mediumeindruck auftretenden Kräfte in Gegenrichtung zu einem Fehlöflhen der Armatur führen. Die Veränderungen der Spindelkraft während des Anlagenbetriebs sind mit den herkömmlichen Meßverfahren der Drehmomentmessung oder insbesondere der Wirkleistungsmessung bei motorgetriebenen Armaturen nicht ausreichend genau bestimmbar.

Aus der WO 96/30684 ist bereits ein Verfahren bekannt, bei welchem die Spindelkraft in situ gemessen und unter Anwendung von Verfahren der Analyse des Zeitsignals ausgewertet wird.

Bislang ist noch kein Meßsystem bekannt, welches für ein solches Verfahren optimal geeignet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Meßsystem bereitzustellen, welches fur das Meßverfahren aus der WO 96/30684 optimal geeignet ist und eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile herkömmlicher Meßverfahren bezüglich der Messung der Stellkraft durch unzureichend erfaßte Einflußverfahren zu vermeiden und eine kontinuierliche Erfassung der Spindelkraft durch Spindelarmaturen zu ermöglichen.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Meßsystem Einrichtungen aufweist, welche die bei dem Betätigen der Armatur aufgebrachte Spindelkraft messen, als Zeitsignal abspeichern sowie im Ergebnis grafisch darstellen, wobei folgendes vorgesehen ist:

a) Ein Kraftsensor, kraft schlüssig an einer Position in Kraftrichtung der wirkenden Spindelkraft angeordnet, für den Einsatz in funktionseingebundenem eingebautem Zustand der Armatur;

b) Eine Kalibriermeßeinrichtung, welche zur Kalibrierung des eingebauten Kraftsensors hinsichtlich der zu messenden Spindelkraft dient und die Übertragungsfunktion der Spindelkraftwirkung auf die Meßposition des Kraftsensors mißt, abspeichert und auswertet;

c) Meßumformer, Vorverstärker, Verstärker und Filter zur Bearbeitung des Meßsignals des Kraftsensors und ein Analog-ZDigital-Umformer zur Wandelung des bearbeiteten Meßsignals in eine digitale Zeitreihe;

d) Eine Einrichtung zur automatischen Abspeicherung des digitalisierten Meßsignals des Kraftsensors nach Triggerung durch ein externes Triggersignal wie das Signal einer Stromzange insbesondere bei elektromotorisch angetriebenen Armaturen oder durch das Kraftsignal selbst bei Betätigung der Armatur für die Zeit der jeweiligen Auf- oder Zufahrt und

e) ein PC zum Auslesen der gespeicherten Daten und zur grafischen Darstellung für die Auswertung.

Vorzugsweise ist der Kraftsensor ein Dehnmeßstreifen.
Ebenfalls vorzugsweise ist der Kraftsensor ein Drucksensor.

C:/je-98/06-98/Sp-A-BS.doc

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Weiterhin vorzugsweise ist der Kraftsensor ein piezoelektrischer Kraftmeßring.

Bevorzugt ist der Kraftsensor an der Spindel montiert.

Ebenfalls bevorzugt ist der Kraftsensor an einer Hubbegrenzung montiert.

Weiterhin bevorzugt ist der Kraftsensor an einer Verbindungsschraube an einem Flansch zwischen Armatur und Antrieb montiert.

Vorzugsweise ist der Kraftsensor an einem Gehäusedeckel der Armatur montiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem wird mit Hilfe der kontinuierlichen Bewertung eine deutlich verbesserte zustandsorientierte Wartung als eine Maßnahme zur Schadensverhütung und damit eine verbesserte Sicherstellung der Armaturenfunktion ermöglicht.

Im Falle eines piezoelektrischen Kraftaumehmers wird der Kraftmeßring zum Beispiel in der Ausführung einer Unterlegscheibe an einer Verbindungsschraube am Flansch zwischen Armatur und Antrieb montiert und mit Hilfe der Schraubenmutter mit der für die Schraubverbindung spezifizierten Vorspannkraft befestigt. Der Kraftsensor ist in Richtung der Spindelkraft zu montieren, so daß bei Kraftwirkung eine Zug- oder Druckbeanspruchung an der Sensorposition auftritt und eine entsprechende Veränderung der Meßgröße hervorruft. Bei einem piezoelektrischen Kraftmeßring wird dabei durch den piezoelektrischen Effekt eine Ladung erzeugt.

In einer Kalibrier-Messung mit Hufe eines kalibrierten Vergleichsaufiiehmers in einer Kalibrier-Meßeinrichtung wird die Spindelkraft direkt an der Spindelmutter bei der Armaturbetätigung gemessen und das entsprechende Kraftsignal des eingebauten und für die kontinuierliche Meßwerterfassung vorgesehenen Kraftsensors kalibriert. Die

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Kalibrier-Meßeinrichtung wird während des Anlagenbetriebs entfernt, so daß ein ungestörter Betrieb der Armatur gewährleistet wird.

Das Signal des Kraftsensors wird über einen Meßumformer in ein Spannungssignal gewandelt. Im Fall eines piezoelektrischen Kraftmeßrings ist dieser Meßumformer ein auf den Meßring abgestimmter Ladungsverstärker. Das Spannungssignal am Ausgang des Meßumformers wird mit Hilfe eines Verstärkers für die optimale Aussteuerung des Analog-/Digital-Wandlers verstärkt und mit Hilfe eines Antialiasing-Filters für die digitale Abtastung gefiltert. Anschließend wird das Meßsignal mit Hilfe eines Analog-/Digital-Wandlers in eine digitale Datenreihe gewandelt und der Datenerfassungseinheit zugeführt. Im Falle eines externen Triggersignals wird dieses Triggersignal ebenfalls verstärkt, gefiltert und in eine digitale Datenreihe gewandelt. Die Datenerfassungseinheit befindet sich nach Inbetriebsetzung der Meßeinrichtung stets im Meßmodus, die Meßdaten werden in einem Ringspeicher gespeichert. Bei dem Ansprechen des Triggersignals bei Betätigung der Armatur erfolgt die Speicherung der Meßdaten im Hauptspeicher als eine digitale Zeitreihe. Nach dem Ende der Armaturenfahrt wird die Datenspeicherung im Hauptspeicher beendet und es erfolgt eine neue Datenablage im Ringspeicher. Die Datenerfassungseinheit befindet sich dann im Meßmodus im Stand-By-Betrieb.

Das Triggersignal kann ein externes Signal wie zum Beispiel das Signal einer Stromzange insbesondere bei motorgetriebenen Armaturen oder das Kraftsignal selbst sein. Entsprechend der Auslegung des Hauptspeichers können mehrere Armaturenfahrten der Armatur bei laufendem Anlagenbetrieb automatisch abgespeichert werden. Die gespeicherten digitalen Zeitreihen der Armaturenfahrten können mit Hufe eines PC ausgelesen und grafisch dargestellt werden.

Auf der Basis der Auswertung der Kraft signale können wichtige Informationen und Hinweise zur Unterstützung der Maßnahmen zur zustandsorientierten Wartung und Instandsetzung abgeleitet und die jeweilige Stellkraftreserve des Antriebs ermittelt werden.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren beschrieben, von denen die

Figur 1 eine teilweise Schnittaufhahme einer Armatur mit einem erfindungsgemäßen Meßsystem zeigt,

Figur 2 ein Blockschaltbild des Meßsystems zeigt und

Figur 3 einen Graph zeigt, welcher die Spindelkraft wiedergibt.

Figur 1 zeigt im Beispiel eine Armatur mit der Meßfunktion für einen piezoelektrischen Kraftmeßring an einer Verbindungsschraube am Flansch zwischen Armatur und Stellantrieb sowie die Kalibrienneßeinrichtung mit einem piezoelektrischen Vergleichssensor unterhalb der Hubbegrenzungsmutter (HBM). Weiterhin sind optionale Meßpositionen für Dehnmeßstreifen zur Messung der Spindelkraft angegeben.

Figur 2 zeigt ein Schema der Meßeinrichtung zur Erfassung der Spindelkraft an Armaturen mit der Ableitung des Meß signals, wie zum Beispiel das Signal eines piezoelektrischen Aufnehmers, des externen Triggersignals, wie zum Beispiel das Signal einer Stromzange insbesondere bei motorbetriebenen Armaturen, der Meßkette zur Aufbereitung der Meßgrößen mit entsprechenden Meßumformern, Verstärkern, Filtern und der Analog'/Digital-Wandlung. Das Datenloggersystem ist dargestent als eine Einheit, bestehend aus der Datenerfassung und dem Mikroprozessor mit den Funktionen Steuerung, Speicherung, Management, Kraftrechnung, Datenausgabe sowie der Speicherung der digitalen Zeitreihe. Die Daten können mit einem PC ausgelesen und dargestellt werden. Es ist weiterhin vorgesehen, die Daten über ein Netzwerk (Local Area Network) an eine zentrale Auswerteeinheit zu übertragen und zu bewerten.

Figur 3 zeigt die grafische Darstellung des Zeitverlaufs eines gemessenen Kraftsignals an einem motorbetriebenen Ventil bei der Armaturenfahrt in Schließrichtung als ein Beispiel der Ergebnisdarstellung.

In den Zeichnungen gelten für die Bezugszeichen folgende Begriffe:

1 Spindel

2 Stellantrieb

3 Kraftmessung

4 Spindelmutter (Reibung Spindel)

5 Beschleunigungsaufhehmer

6 Piezo-Kraftmessung (Kalibrierungsmessgröße, Kraftsensor)

7 Stopfbuchse (Reibung)

8 Keilplatte (Reibung)

9 Keilplattenschieber

10 Elektromotor

11 Induktive Wegaufhehmer

12 Einfluß von Spannung, Strom, Leistung

13 Inkrementaler Drehwinkelgeber

14 Spindel über unterer HBM

mit DMS-Vollbrücke Drehmoment und DMS-Vollbrücke Spindelkraft

15 Spindel unter unterer HBM

mit DMS-Vollbrücke Kraftsignal

16 Stromzange

17 Grafische Ausweitung der Kraftmessung

18 Messung bei Armaturenfahrt

Claims (8)

1. Meßsystem zur Erfassung der Spindelkraft an Armaturen, welche jeweils eine Armaturspindel zum Bewegen eines Schließkörpers aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem Einrichtungen aufweist, welche die bei dem Betätigen der Armatur aufgebrachte Spindelkraft messen, als Zeitsignal abspeichern sowie im Ergebnis grafisch darstellen, wobei folgendes vorgesehen ist:

a) Ein Krafisensor, kraftschlüssig an einer Position in Kraftrichtung der wirkenden Spindelkrail angeordnet, liii den Einsatz in funktionseingebundenem eingebautem Zustand der Armatur;

b) Eine Kalibriermeßeinrichtung, welche zur Kalibrierung des eingebauten Meßkraftsensors hinsichtlich der zu messenden Spindelkraft dient und die Übertragungsfunktion der Spindelkrafiwirkung auf die Meßposition des Kraflsensors mißt, abspeichert und auswertet;

c) Meßumformer, Vorverstärker, Verstärker und Filter zur Bearbeitung des Meßsignals des Kraftsensors und ein Analog-/Digital-Umformer zur Wandelung des bearbeiteten Meßsignals in eine digitale Zeitreihe;

d) Eine Einrichtung zur automatischen Abspeicherung des digitalisierten Meßsignals des Kraftsensors nach Triggerung durch ein externes Triggersignal wie das Signal einer Stromzange insbesondere bei elektromotorisch betriebenen Armaturen oder durch das Krafisignal selbst bei Betätigung der Armatur für die Zeit der jeweiligen Auf oder Zufahrt und

e) ein PC zum Auslesen der gespeicherten Daten und zur grafischen Darstellung der Auswertung.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafisensor ein Dehnmeßstreifen ist.

3. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafisensor ein Drucksensor ist.

4. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor ein piezoelektrischer Kraftmeßring ist.

5. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor an der Spindel montiert ist.

6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraitsensor an einer Hubbegrenzung montiert ist.

7. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor an einer Verbindungsschraube an einem Flansch zwischen Armatur und Antrieb montiert ist.

8. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor an einem Gehäusedeckel der Armatur montiert ist.