DE69216287T2

DE69216287T2 - Betätigungsorgan und Ventilbetätigungssystem

Info

Publication number: DE69216287T2
Application number: DE69216287T
Authority: DE
Inventors: Graham Michael Ogden; Robert Pearce
Original assignee: Rotork Controls Ltd
Current assignee: Rotork Controls Ltd
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2012-04-10
Also published as: JPH05191991A; GB2255866B; EP0513994A2; EP0513994A3; GB9110389D0; GB2255866A; US5313151A; EP0513994B1; DE69216287D1

Description

Die Erfindung belrifft ein Betätigungsorgan mit einem elektrischen Induktionsmotor und auch ein Ventilbetätigungssystem. Die Erfindung ist praktisch bei elektrisch angetriebenen Betätigungsorganen anwendbar, die zur Betätigung von Ventilen oder Druckleitungen typischerweise in Fluid- Transfersystemen verwendet werden. Die Betätigungsorgane sind von einer Art und einem Bereich, wie dies in dem britischen Patent Nr. 21964948 beschrieben ist. Hauptsächlich betrifft die Erfindung Betätigungsorgane, bei denen der Antriebsmotor vom mehr- oder einphasigen Induktionstyp ist.
Das zuvor genannte britische Patent Nr. 21964948 beschreibt ein Verfahren zur Messung des in einem Schneckenantrieb zur Ausgangssäule übertragenen Drehmomentes dadurch, daß der Schneckengetriebewelle ein begrenzter Grad an axialer Bewegungsfreiheit gegeben wird, wobei die Schneckengetriebewelle auch mit der Motorwelle integral ausgebildet ist, und daß die Verschiebung dieser Welle aus einer neutralen Position einen oder andere Federsätze komprimiert. Die Federn, die eine Beziehung zwischen der Kompression und der Federkraft besitzen, bewirken daher, daß die Verschiebung der Welle eine Funktion, beispielsweise eine lineare Funktion, des Ausgangsdrehmomentes ist. Diese Bewegung kann dann in ein analoges elektrisches Signal durch ein Potentiometer oder eine Halleffekt-Vorrichtung oder einen anderen berührungslosen Sensor umgewandelt werden.
Das vorhandene mechanische Verfahren zur Messung des an der Säule erzeugten Drehmomentes ist wegen einer Anzahl von Beschränkungen nachteilig, die bei der Entwicklung der verschiedenen anderen Überwachungs- und Steuerfunktionen des Betätigungsorgans unter Anwendung von direkten elektronischen analogen und digitalen Signaltechniken mehr in Erscheinung treten. Erstens machen es die Federpakete erforderlich, daß sie auf eine Vorspannung eingestellt und geeicht werden müssen. Dies stellt eine Aufgabe dar, die befriedigend nur zur Zeit der Herstellung am Anfang ausgeführt werden kann.
Zweitens muß der Motor unter Verwendung eines speziellen Rahmens konstruiert werden, um die axiale Bewegung der Welle aufnehmen zu können. Er kann nicht von dem Betätigungsorgan entfernt werden, ohne daß die ursprünglichen Federeinstellungen gestört werden.
Drittens wurde in der Praxis herausgefunden, daß der verfügbare Bereich des Betriebsdrehmomentes jeder besonderen Rahmengröße des Betätigungsorganes größer ist als der durch eine einzige Konstruktion des Federpaketes verfügbare Bereich. Dies führt dazu, daß zwei oder mehr Federpakete nötig sind, um den gesamten Bereich der Ausgangsdrehmomente von einer einzigen Konstruktion des Betätigungsorganes abzudecken.
Es wurde vorgeschlagen, die zuvor genannten Beschränkungen dadurch zu überwinden, daß das bestehende mechanisch abgeleitete Drehmomentsignal in einem durch einen mehrphasigen oder einphasigen Induktionsmotor angetriebenen Betätigungsorgan durch ein genaues Drehmomentsignal ersetzt wird, das durch elektronische Mittel abgeleitet wird.
In diesem Zusammenhang wird auf die DE-A-2744319 verwiesen, in der ein Steuerkreis für einen Wechselstrominduktionsmotor beschrieben ist, der die drei Wicklungsströme mißt und getrennt davon den magnetischen Fluß über dem Luftspalt zwischen dem Rotor und Stator unter Verwendung von drei Sensorspulen mißt, die unter 120º Intervallen angeordnet und mit drei entsprechenden Integratoren verbunden sind.
In der GB-A-1550147, die der FR-A-2328322 äquivalent ist, wird ein elektrischer mehrphasiger Induktionsmotor beschrieben, der die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruches 1, d.h. eine einzige Sensorspule für einen Fluß in den Statorschlitzen und einen Sensor für den Strom in einer Wicklung und einen Kreis aufweist, der diese Meßergebnisse zur Ableitung eines Signales verwendet, das in einigen Umständen das Motordrehmoment darstellt.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Betätigungsorgan gemäß dem Anspruch 1 und ein Antriebssystem für einen elektrischen Motor und ein programmierbares Ventilbetätigungsorgan-System, das ein solches Betätigungsorgan enthält.
Bei der bevorzugten Form der Erfindung ist es möglich, das das Motordrehmoment anzeigende Signal in einer digitalen Form zu erhalten, die zur Verwendung bei einem Schaltkreis mit einem Mikroprozessor geeignet ist, anstelle von analogen Signalen, die unter Verwendung eines mechanischen erzeugten Signales, beispielsweise eines Hebelarmes und einer ein Potentiometer antreibenden Feder erzeugt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform betrifft auch ein Antriebssystem für einen elektrischen Motor, das einen elektrischen Motor, elektronische Einrichtungen zum Messen des durch den Motor erzeugten Drehmomentes, eine Übertragungseinrichtung zwischen dem Ausgangsantrieb des elektrischen Motors und dem Endantrieb des Systems, eine Einrichtung zum Messen des an einer vorgegebenen Stufe der Übertragungseinrichtung entwickelten Drehmomentes und eine Überwachungseinrichtung aufweist, die auf beide Drehmomentmessungen anspricht, um ein Signal zu erzeugen, daß das Verhältnis der Drehmomente darstellt.
Dies führt zu einer Einrichtung zur ununterbrochenen Messung, beispielsweise des Wirkungsgrades eines Getriebes eines Ventilbetätigungsorganes durch Heranziehen einer Drehmomentmessung an einem Punkt, an dem diese Unwirksamkeit in Kraft tritt, durch Teilen dieses Drehmomentes durch das Verhältnis des Getriebes zu diesem Punkt und durch Vergleichen des so erhaltenen Wertes mit dem Motordrehmoment. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Getriebes abgetastet oder ununterbrochen gemessen werden und jede Verringerung des Wertes des Wirkungsgrades kann eine Warnvorrichtung oder andere Vorrichtungen triggern, so daß korrigierende Maßnahmen getroffen werden können, bevor das Getriebe vollständig ausfällt.
Diese Drehmomentmessung in einer digitalisierten Form führt zu einer praktischen Einrichtung zur Hinzufügung eines Merkmales zu dem Betrieb des Ventilbetätigungsorganes, das als "Drehmoment-Profilierung" bekannt ist. Gemäß diesem Merkmal kann das maximal zulässige Drehmoment, das an den Ventilschaft angelegt wird, programmiert und beispielsweise mit der Ventilposition in Bezug gesetzt werden. Typischerweise kann ein hohes Anfangsdrehmoment zugelassen werden, wenn das Ventil aus seinem Sitz herausbewegt wird. Das maximal zugelassene Drehmoment wird dann entlang einer gesteuerten Kurve verringert, wenn sich das Ventil öffnet. In einer ähnlichen Weise kann das maximal zugelassene Drehmomentprofil bei einer Schließoperation so arrangiert werden, daß ein vergrößertes zugelassenes Drehmoment vorgegeben wird, wenn das Schließteil des Ventiles gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Ventil vor übermäßigen Drehmomentpegeln während des mittleren Hubes zu schützen.
Das herkömmliche Verfahren zur Vorhersage des Drehmomentes am Ausgang eines Induktionsmotors verwendet eine Gleichung in der allgemeinen Form:
Drehmoment = V².R&sub2; / (ws.s).[(R&sub1;+c.R&sub2;/s)²+(x&sub1;+c.x&sub2;)²]
dabei bezeichnen
c = 1 + z&sub1;/zm
V = angelegte Phasenspannung
z&sub1; = Stator-Streuimpedanz
zm magnetisierende Zweigimpedanz
R&sub1; = Statorwiderstand
R&sub2; = Rotor-Bezugswiderstand
x&sub1; = Stator-Streureaktanz
x&sub2; = Rotor-Bezugsstreureaktanz
5s = Teilschlupf
ws = Frequenz der Statorspannung
Eine Hauptschwierigkeit bei der praktischen Anwendung dieser Gleichung zur Bestimmung des Motordrehmomentes besteht inder Änderung des Rotorwiderstandes R&sub2; mit der Temperatur des Rotors. Der Rotor arbeitet über einen weiten Temperaturbereich in Ventilbetätigungsorganen und außerdem ist es nötig, genaue Drehmomentablesewerte zu erhalten, wenn der Motor noch nicht die Zustände einer stabilen Temperatur erreicht hat. Da die Rotorkreise vollständig in dem Rotor enthalten sind, gibt es keinen einfachen Weg, einen augenblicklichen und direkten Wert des Motorwiderstandes R&sub2; zu erhalten.
Eine weitere Schwierigkeit betrifft den Teilschlupf "s", der in der herkömmlichen Formel verwendet wird. Der tatsächliche "Schlupf" in einem Induktionsmotor entspricht einer kleinen Wertzahl, typischerweise wenigen Zehn Umdrehungen pro Minute im Vergleich mit dem Drehfeld und den Rotordrehzahlen bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute. Auf diese Weise wird der Zähler in dem Ausdruck für den Teilschlupf durch die Substraktion der beiden relativ großen Zahlen (Felddrehzahl weniger tatsächlicher Rotordrehzahl) erhalten. Ein kleiner Irrtum in der Messung dieser beiden Drehzahlwerte bewirkt daher einen relativ großen Fehler in dem Zähler des Ausdruckes "s" für den Teilschlupf.
Es wird auch darauf hingewiesen, daß die herkömmliche Drehmomentgleichung auf dem stabilen Zustand der Betriebsbedingungen basiert. Während elektrischer Übergänge entstehen daher ungenaue Antworten und obwohl diese Übergänge wirklich kurz sind (z.B. 10 Millisekunden bis 300 Millisekunden) können sie jedoch lang genug sein, daß ein Betätigungsorgan ein Ventil zu stark abdichtet, was zu einer Beschädigung der Ventilsitzfläche führt.
Bei dem Verfahren zur Bestimmung des Motordrehmomentes, das Gegenstand dieser Erfindung ist, kann gezeigt werden, daß der momentane Wert des im Rotor einer Dreiphasenmaschine erzeugten Drehmomentes wie folgt ausgedrückt werden kann.
Drehmoment = (1/ 3).(isv-isw).φmd-isu.φmq
dabei bezeichnen:
isv, isw, isu = Ströme, die in die Statorphasen fließen, wobei die drei Phasen durch die üblichen Suffixe U, V, W bezeichnet sind.
φmd, φmq sind Meßwerte des Luftspaltflusses, die an Punkten aufgenommen sind, die um 90º elektrisch voneinander entfernt sind. φmd ist auf der U-Phase zentriert.
Die beiden Produktausdrücke [(1/ 3).(isv-isw).φmd] und [isu.φmq] enthalten jeweils eine Sinuswelle mit der zweifachen Netzfrequenz (die "Welligkeitskomponente") und einen Offset-Ausdruck (die "stabile Komponente"). Wenn die Drehmomentinformation mit einer Rate gefordert wird, die das Zweifache der Netzfrequenz nicht überschreitet, muß nur einer dieser Ausdrücke, beispielsweise der Ausdruck [isu.φmq], berechnet werden.
Es ist nur die stabile Komponente von [isu.φmq] interessant, da sich die Welligkeitskomponente während eines Halbzyklus des Netzstromes auf Null aufaddiert. Die welligkeitskomponente muß unterdrückt werden, um ein Signal zu erhalten, das für Steuerzwecke geeignet ist. Ein praktisches Verfahren zur Erhaltung der stabilen Komponente des Drehmomentes besteht darin, den Strom und den Fluß an allen 360º/2n- Punkten des Netzzyklus abzutasten, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist. Dieses Intervall entspricht 360º/n der Welligkeitsperiode. Wenn n dieser Ausdrücke gemittelt werden, dann summiert sich die Welligkeitskomponente zu Null auf. Dies ist auf die folgende Identität zurückzuführen:
Dabei ist θ eine willkürliche Phasenverschiebung.
Dieses Abtastverfahren ist besonders für einen Schaltkreis mit einem Mikroprozessor geeignet. Es ist ziemlich leicht an den richtigen Punkten unter Verwendung der On-Chip- Zeitschaltkreise an den richtigen Punkten abzutasten und die Berechnung, die relativ selten (wenige Male pro Halbzyklus des Netzes) erfolgt, ist nicht schwierig. Sie stellt den Prozessor für andere Aufgaben frei. Andere Aufgaben könnten beispielsweise die Berechnung der zu erwartenden Motortemperatur als eine vorbestimmte Funktion der Zeit umfassen, angenommen, daß ein Programm als Eingangssignal einen Strom einer Leistungswicklung des Motors hat. Eine analoge Darstellung, die auf einer Phasenregelschleife (zur Multiplizierung der Netzfrequenz mit 2n) beruht, ist auch möglich.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Gleichung:
Drehmoment = (1/ 3).(isv-isw).φmd-isu.φmq
angepaßt werden kann, daß sie einphasige Motoren oder mehrphasige Motoren mit irgendeiner Anzahl von Phasen abdeckt. Es ist vollständig richtig, diese Gleichung (oder eine äquivalente Gleichung) als Ganzes zu berechnen, aber es müssen mehr als ein Fluß und mehr als ein Strom gemessen werden. Wenn gerade einer der Produktausdrücke berechnet wird, können auch andere Verfahren der Welligkeitsunterdrückung verwendet werden, ohne daß von den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abgegangen wird.
In dem Steuerschaltkreis des Betätigungsorganes können nicht nur die zahlreichen Drehmomentprofile, sondern auch viele andere Betriebsparameter eingestellt werden. Dies kann direkt dadurch ausgeführt werden, daß ein Zugang zum Betätigungsorgan erhalten wird. Es ist jedoch klar von Vorteil, daß der Körper des Betätigungsorganes nicht nach Außen geöffnet werden muß. Daher schafft die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise, zusätzlich zu dem Betätigungsorgan, auch ein Steuersystem für dieses Betätigungsorgan, das wenigstens auf Betriebsparameter des Betätigungsorganes anspricht und einen Empfänger für Eingangsdaten aufweist, die sich auf die Betriebsparameter des Betätigungsorganes beziehen und ferner eine entfernte Programmiervorrichtung umfaßt, die außerhalb des Betätigungsorganes angeordnet ist und mit Eingangsdaten programmierbar ist und die die aufgezeichneten Daten selektiv zu dem Empfänger übertragen kann.
Die Programmiervorrichtung enthält vorzugsweise eine Barcode-Leseeinrichtung für die passendsten Einrichtungen zur Auswahl und zur Eingabe von Eingangsdaten von vorgedruckten "Menüs", die den gewünschten Betriebsmerkmalen entsprechen.
Im folgenden wird nun eine Ausführungsform der Erfindung lediglich beispielhaft im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Meß- und Steuerkreises eines Betätigungsorganes, das das oben beschriebene Verfahren zur Drehmomentbestimmung anwendet;
Fig 2 ein Diagramm des Drehmomentes in Abhängigkeit von der Position des Ventilschaftes, das das Drehmomentproil anzeigt und
Fig. 3 einen zusätzlichen Schaltkreis zu Fig. 1 für die Gewinnung eines Meßwertes des Wirkungsgrades des Getriebes.
Gemäß Fig. 1 ist die Drei-Phasen-Netzversorgung 1 mit dem Umkehrkontaktgeber 2 oder einem anderem Leistungsmodulator (weiche Starteinrichtung, Inverter, Steuerumrichter) verbunden, wobei die Ausgänge des Umkehrkontaktgebers zu dem Induktionsmotor 3 verlaufen.
Der Induktionsmotor 3 weist eine Sensorspulenwicklung 4 in den Startorschlitzen auf, der zusätzlich zu den drei Phasenleistungswicklungen vorgesehen ist. Eine Spannung wird in der Sensorwicklung 4 induziert, die proportional zu dem magnetischen Fluß in dem Luftspalt ist. Die Fluß- Sensorspulenwicklung 4 besitzt eine hohe Ausgangsimpedanz (beträchtlich größer als diejenige der Leistungswicklungen des Motors). Daher ist der von Sensorwicklung 4 gezogene Strom vernachlässigbar und die erfühlte Spannung ist daher im wesentlichen unabhängig von temperaturabhängigen Änderungen des Wicklungswiderstandes.
Die Ausgangswelle 5 des Motors 3 treibt die Säule des Ventilbetätigungsorgans 6 über ein Untersetzungsgetriebe an, das als ein Antrieb mit einer einzigen Schnecke und einem Schneckenrad dargestellt ist. Die Säule weist eine Rückkopplungsvorrichtung 7 für die Position (Potentiometer, Zähler oder auf dem Hall-Effekt basierende Vorrichtung, usw.), die ein Signal 8 über die Ventilposition an das Steuermodul 9 des Betätigungsorganes liefert, auf.
Zur Berechnung des Ausgangsdrehmomentes des Motors ist es nötig, ein Stromsignal zu erhalten, das proportional zu dem Netz-Phasenstrom ist. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Stromwandler oder eine andere Art von Stromsensor 10 am einen der Netzleiter angesetzt wird, die von dem Umkehrkontaktgeber 2 zu dem Motor 3 verlaufen. Alternativ wäre es möglich, den Strom zu erfühlen, der in den Umkehrkontaktgeber 2 fließt. Das Stromsignal 11 verläuft zu einem Analog- /Digital-Wandler 12 und von dort zu der digitalen Multipliziereinrichtung 13.
Ein Maß für den Fluß im Luftspalt könnte durch irgendeine Sensorwicklung erhalten werden, die die Funktion der Sensorspule 4 ausführt. Sie kann irgendeine von mehreren Formen aufweisen. Sie kann voll oder kurz gewickelt sein. Die Wahl hängt im großen Maße von der Art der Herstellung ab. Die Wicklung ist in den Statorschlitzen angeordnet. Die Sensorwicklung ist mit einem Schaltkreis einer hohen Impeanz verbunden und kann aus einer dünneren Drahtstärke bestehen als die Hauptwicklungen.
Die durch die Sensorspule erzeugte Spannung 14 wird durch einen Integrationskreis 15 verarbeitet. Das sich ergebende Flußsignal 16 verläuft zu einem zweiten Analog-/Digital- Wandler 17 und von dort zu der digitalen Multipliziereinrichtung 13. Der Ausgang von der digitalen Multipliziereinrichtung 13 verläuft zu einer Welligkeitsunterdrückungseinheit 18. Das stabile Drehmomentausgangssignal 19 verläuft zu dem Steuermodul 9 für das Betätigungsorgan. Von dem Steuermodul 9 für das Betätigungsorgan gelangen die Ausgangssignale 20 und 21 zu dem Umkehrkontaktgeber oder dem äquivalenten Leistungsmodulator 2, um den Befehl für den Motor, sich in die Richtung der "Ventilöffnung" oder "Ventilschließung" zu drehen, zu löschen.
Der Steuermodul für das Betatigungsorgan weist auch verschiedene Eingangsbefehls- und Einstellsignale auf. In einem typischen Fall bestehen diese aus zwei Befehlssignalen 22, 23, die befehlen, daß das Ventil in die "Öffnungsrichtung" oder "Schließrichtung" geht und zwei Einstellsignalen 24, 25 zur Bestimmung der Grenzen der Bewegung der Säule des Betätigungsorganes (und daher der Ventilposition) und der Begrenzungsdrehmomente, bei denen gefordert wird, daß der Motor abschaltet. Die letzteren Einstellungssignale können die Form von elektromagnetischen Strahlungen aufweisen, wie dies in der oben genannten GB- 2196494B beschrieben ist. Beispielsweise kann es sich um eine optische oder eine andere elektromagnetische Strahlung handeln oder die Signale können mechanisch eingestellt werden. In jedem Falle werden das Eingangspositionssignal 8 und das Eingangsdrehmomentsignal 19 mit den entsprechenden Werten verglichen, die durch das Positionseinstellsignal 24 und das Drehmomenteinstellsignal 25 voreingestellt sind und wird bewirkt, daß der Motor anhält, wenn die eine oder andere Koinzidenz vorliegt.
Das Vorliegen eines ununterbrochenen, digitalisierten Drehmomentsignales in Verbindung mit einem durch einen Mikroprozessor betriebenen Steuermodul ermöglicht, daß eine Einrichtung zur "Drehmomentprofilierung" im Betrieb des Betatigungsorganes enthalten ist. Beispielsweise zeigt die Fig. 2 eine typische Drehmomentcharakteristik, die für ein Ventil mit Gegensitzfläche (back seating valve) gefordert wird. In einem solchen Ventil ist das maximal zugelassene Drehmoment erforderlich, um das Ventil aus der geschlossenen Position aus seinem Sitz zu ziehen, wie dies am Punkt 26 des Diagramms gezeigt ist. Wenn das Ventil sich einmal bewegt, kann das Begrenzungsdrehmoment langsam verringert werden, wie dies durch die Kurve 27 angedeutet ist, bis sich das Ventil dem Gegensitz annähert, wenn ein Anstieg zu dem Wert zugelassen werden kann, der durch den Punkt 28 angedeutet ist. Auf diese Weise kann das Ventil in einem größeren Maße im Bereich seines mittleren Hubes geschützt werden. Die Pegel des Abschaltdrehmomentes können auch so eingestellt werden, daß sie sich mit dem Verschleiß des Ventiles, dem gesteuerten Fluid oder der Einschaltdauer ändern.
Um sicherzustellen, daß das Ventil von dieser Position geschlossen werden kann, ist es möglich, sicherzustellen, daß ein Drehmoment verfügbar ist, das höher ist als der bei Punkt 28 angezeigte Wert, um das "Einrast"-Reibungs- Drehmoment zu überwinden, das von der vorangehenden Öffnungsoperation herrührt. Für die nachfolgende Schließoperation ist es daher wünschenswert, daß das verfügbare Drehmoment auf einen Wert angehoben wird, der in der Fig. 2 durch den Punkt 29 angedeutet ist. Das Begrenzungsdrehmoment kann dann beim Schließzyklus der unterbrochenen Kurve 30 folgen, bis das Ventil durch das Schließdrehmoment in der geschlossenen Stellung sitzt, wie dies durch den Punkt 31 angedeutet ist. Um sicherzustellen, daß die nachfolgende Öffnungs- Operation das "Einrast"-Reibungs- und/oder hydrostatische Drehmoment überwinden kann, muß der durch den Punkt 31 angezeigte Wert beträchtlich kleiner sein als die maximal zugelassene Drehmomenteinstellung, die durch den Punkt 26 angedeutet ist.
Die Charakteristiken des Begrenzungsdrehmomentes, die in der Fig. 2 gezeigt sind, können in dem Steuermodul 9 für das Betätigungsorgan (Fig. 1) durch Programmieren der Werte des Begrenzungsdrehmomentes in Bezug auf die kombinierten Signale aus dem Positionssignal 8 der Säule und der Drehrichtung der Säule des Betätigungsorganes erreicht werden, die von demselben Signal 8 abgeleitet werden.
Es gibt zahlreiche Einstellparameter für ein Ventilbetätigungsorgan, die die Pegel des Abschaltdrehmomentes beeinhalten und diese können durch Auslesen von Bar-Code 102 aus einem Befehlhandbuch 101 ausgewählt werden. Die Bar-Code- Leseeinrichtung, bei der es sich beispielsweise um eine von Hand gehaltene Vorrichtung 100 mit Knopfsteuerungen handelt, kann die Daten unter Anwendung elektromagnetischer Strahlung gemäß dem Bezugszeichen 22 über eine oder durch eine elektrische Verbindung zu dem Betätigungsorgan übertragen.
Auf diese Weise können die Eingangsdaten wenigstens einige von einer Vielzahl von verschiedenen Einstellungen und Funktionen und anderen Betriebsparametern des Betätigungsorganes, wie beispielsweise die vier Haupteinstellungen des Betätigungsorganes, d.h., seine Grenzpositionen im geöffnteten und geschlossenem Zustand und seine Pegel für das Abschaltdrehmoment beim Öffnen und Schließen, die Drehrichtung (im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn) zum Schließen des Ventiles, die Richtung der Drehung, die nach einer Notabschaltung nötig ist, den Betrieb von Wamrelais und das Drehmomentprofil enthalten.
Alle diese Eingangsdaten können zu dem internen Empfänger übertragen werden, um die Betriebsparameter einstellen zu können, ohne daß es nötig ist, einen Zugang zu dem Inneren des Betätigungsorganes zu haben.
Wähernd es sich bei den Bar-Code mit dem zugeordneten Text um die bequemsten Mittel zur Ausführung der Auswahl durch die Bedienungsperson, die die Leseeinrichtung über einem ausgewählten vorgedruckten Code hin- und herbewegt, handelt, können stattdessen auch andere optische Code-Systeme oder andere Fernprogrammiereinrichtungen angewendet werden.
Für Betätigungsorgane, die Ventile in bestimmten lebenswichtigen Installationen steuern, ist es wünschenswert, eine Anzeige des Wirkungsgrades des Getriebes während eines Betriebes zu erhalten, so daß jede Änderung des Wirkungsgrades von dem Anfangs- oder Konstruktionswert bemerkt werden kann. Im allgemeinen zeigt ein Abfall des Wirkungsgrades im Getriebe an, daß eine übermäßig starke Abnutzung der Getriebezähne oder der Lager eingetreten ist oder daß das Schmiermittel fehlt. Die Diagnoseeinrichtung kann dann verwendet werden, um ein Warnsignal für einen unmittelbar bevorstehenden Ausfall des Getriebes zu geben.
Die Diagnoseeinrichtung kann zu den Schaltkreisen der Fig. 1 hinzugefügt werden, wobei die zusätzlichen Bauteile in der Fig. 3 dargestellt sind, in der ein Drehmomentwandler 32 vorgesehen ist, um das durch die Säule des Betätigungsorganes übertragene Drehmoment zu messen. Dies kann durch die Verwendung von Dehnungsmessstreifen erfolgen, die auf die Wand der Säule aufgesetzt sind oder im Falle eines Getriebes, in dem der Endantrieb zur Säule die Form einer Schnecke und eines Schneckenrades aufweist, kann eine Kraftmesseinrichtung an die axiale Zwangsführung der Welle der Schnecke befestigt werden, und diese Kraft mit dem Steigungsradius des Scheckenrades multipliziert, liefert ein Maß für das Ausgangsdrehmoment des Getriebes.
Das erhaltene Drehmmomentsignal 33 verläuft zu einer Verarbeitungseinheit 37 und einem Analog-/Digital-Wandler 35, um ein Endausgangsdrehmomentsignal zu erhalten, daß dieselbe oder eine ähnliche Form wie das Signal 19 in Fig. 1 aufweist, das von dem Motordrehmoment abgeleitet ist. Die beiden Signale werden dann in der Komperatoreinheit 36 geteilt. Der sich ergebende Wirkungsgrad des Getriebes wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Wirkungsgrad = [Drehmoment an der Säule] . [Winkelgeschwindigkeit der Säule] / [Motordrehmoment] . [Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle]
Das den Wirkungsgrad anzeigende Ausgangssignal 37 von der Komperatoreinheit 36 kann verwendet werden, um bedarfsweise eine Anzeige am Ort der Steuerstation und/oder einen frühen Warnalarm für ein unmittelbar bevorstehendes Ausfallen des Getriebes des Betätigungsorganes zu erhalten. Das Steuersystem kann so ausgebildet sein, daß es auf diesen Alarmzustand anspricht, um einen weiteren Betrieb des Betätigungsorganes zu verhindern. Dies kann entweder in dem Moment, in dem eine vorhergesagte Abweichung des Wirkungsgrades erreicht ist, oder sonst am Ende eines oder mehrerer nachfolgender Betätigungsoperationen erfolgen.
Ein Merkmal der elektronischen Drehmomentabfühlung besteht darin, daß das Signal verschwindet, wenn der Motor entregt wird. Aus praktischen Gründen wird der Steuerkreis für das Betätigungsorgan so angeordnet, daß dann, wenn der Befehl für das Betätigungsorgan beendet ist, wenn ein Drehmomentschwellwert überschritten wird, das Betätigungsorgan nicht auf Befehle anspricht, die verursachen würden, daß es in derselben Richtung fortfahren würde. Ansonsten würden Motoren mit einer kurzen Lebenszeit wiederholt eingeschaltet, was das Ventil beschädigen oder einen Verschleiß bzw. Abnutzung des Betätigungsorgans nach sich ziehen könnte.

Claims

1. Betätigungsorgan (6) mit einem Elektromotor (3) vom mehr- oder einphasigen Induktionstyp mit einem Rotor und einem Stator mit Leistungswicklungen (U, V, W) und mit Schlitzen dafür und mit nur einem Flußsensor in der Form einer Sensorspule (4), die in den Statorschlitzen gewickelt, befestigt und von den Leistungswicklungen unabhängig ist und so angeordnet ist, daß in dem Sensor induzierte Spannungen ein Maß für den magnetischen Fluß darstellen, der in dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor des Motors besteht, wobei eine Strom- Sensoreinrichtung (10), einer (U) oder mehreren der Leistungswicklungen des Stators zugeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12, 13, 15, 17, 18), die auf Signale (11, 14) von der Strom- Sensoreinrichtung (10) und dem Flußsensor (4) zur Erzeugung einer Dauerkomponente des Produktes aus dem Strom und dem Fluß anspricht, das jeweils durch diese Signale (11, 14) dargestellt wird, wobei die Komponente (19) das von dem Elektromotor (3) erzeugte elektrische Drehmoment unabhängig von einer Drehzahländerung des Motors und elektrischen Einschwingvorgängen darstellt.

2. Betätigungsorgang nach Anspruch 1 mit einem Integrationskreis (15), der mit der Sensorspule verbunden ist, um die erfühlte Spannung zu integrieren, und in dem die der Sensorspule (4) durch den Integrationskreis dargestellte Lastimpedanz sehr viel größer ist als diejenige der Spule selbst, so daß der Stromfluß in dieser Spule vernachlässigbar ist und bei der die an den zuvor genannten Integrationskreis angelegte Spannung etwa gleich der in der Spule induzierten Spannung ist, so daß Änderungen der Temperatur der Sensorspule diese Spannung nicht beeinträchtigen und die Flußmessung daher im wesentlichen temperaturunabhängig ist.

3. Betätigungsorgang nach Anspruch 2, mit einer Steuereinrichtung (9) die auf das elektrische Drehmomentsignal anspricht, um das Ausgangsdrehmoment des Motors abzuschalten oder anderweitig zu begrenzen.

4. Betätigungsorgan nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Motor ein mehrphasiger Induktionsmotor (3) ist und bei dem die Strom-Sensoreinrichtung eine einzige Strom- Sensoreinrichtung (10) ist, die auf den Strom in einem (U) oder in mehreren der Netzleiter zu den Leistungswicklungen des Stators anspricht, so daß die das Signal des elektrischen Drehmomentes erzeugende Einrichtung (13) den Strom und den Fluß, die von den entsprechenden Signalen (11, 14) von der Strom-Sensoreinrichtung und von dem Flußsensor repräsentiert werden multipliziert und dann von diesem Produkt die stabile Komponente ableitet (18).

5. Betätigungsorgang nach Anspruch 4, bei dem die das Signal des elektrischen Drehmomentes erzeugende Einrichtung (18) die stabile Komponente des Produktes durch Mitteln von n-Abtastungen erzeugt, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist, die wiederholt bei Intervallen von 360º/n der Welligkeitsperiode des Signals erzeugt werden.

6. Betätigungsorgan nach Anspruch 5 mit einem Datenprozessor zur Berechnung des elektrischen Drehmomentes und zum Abtasten des Produktes bei den Intervallen, wobei der Datenprozessor mit einem Eingangssignal programmiert wird, das für den Leistungswicklungsstrom des Motors repräsentativ ist, um in den Perioden zwischen den Abtastmomenten die zu erwartende Temperatur des Motors als eine vorbestimmte Funktion des Motorstroms und der Zeit zu berechnen.

7. Betätigungsorgan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Motor so verbunden ist, daß er eine Ventileinrichtung über eine Ausgangswelle oder Säule des Betätigungsorganges (6) betätigt und bei dem die Steuereinrichtung (9) auch auf ein Positionssignal (8) anspricht, das die Position der Ausgangswelle oder Säule des Betätigungsorgangs darstellt, so daß das zugelassene Begrenzungsdrehmoment, das durch das Betätigungsorgan an den Ventilschaft angelegt wird, als eine Funktion der Ventilposition und/oder der Betriebseinschaltdauer variiert wird.

8. Betätigungsorgan nach Anspruch 7, mit einer Empfangseinrichtung (9), die auf Eingangsdaten (24, 25) anspricht, die vorbestimmte zugelassene Drehmomentwerte als eine Funktion der Ventilposition und/oder der Arbeitsrichtung des Ventils darstellen.

9. Betätigungsorgan nach Anspruch 8, mit einer separaten Barcode-Leseeinrichtung, die mit wenigstens den Daten programmierbar ist und die Daten an die Empfangseinrichtung übertragen kann.

10. Betätigungsorgan nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem das zugelassene Begrenzungsdrehmoment an dem Ventilschaft eine vorbestimmte Funktion sowohl der Position des Ventils auf seinem Weg zwischen dem geschlossenen und offenen Zustand als auch der Bewegungsrichtung des Ventils ist.

11. Betätigungsorgang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Motor (3) so verbunden ist, daß er ein Ventil durch einen Ausgangsantrieb des Betätigungsorgans (6) betätigt und bei dem ein Reduktionsgetriebe zwischen dem Motor und dem Ausgangsantrieb oder zwischen dem Ausgangsantrieb und dem Ventilschaft vorgesehen ist, mit einer Einrichtung (32) zum Messen des Ausgangsdrehmomentes des Getriebes und einer Signalverarbeitungseinrichtung (36) zum Vergleichen des gemessenen Ausgangsdrehmomentes des Getriebes mit dem gegenwärtigen elektrischen Drehmoment, das durch die Komponente (19) dargestellt wird, und mit dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes multipliziert wird, um ein Signal (37) zu erzeugen, das den mechanischen Wirkungsgrad des Getriebes darstellt.

12. Betätigungsorgan nach Anspruch 11, bei dem der mechanische Wirkungsgrad durch eine Anzeigeeinrichtung entweder an dem Betätigungsorgan oder an einer entfernten Station in Antwort auf das den Wirkungsgrad darstellende Signal angezeigt wird.

13. Betätigungsorgan nach Anspruch 11 oder 12, mit einer Einrichtung zum Vergleichen des den Wirkungsgrad des Getriebes darstellenden Signals mit einem voreingestellten Wert, wobei die Einrichtung auf eine Abweichung von dem voreingestellten Wert um einen vorbestimmten Betrag anspricht, um ein Alarmsignal zu erzeugen.

14. Betätigungsorgan nach Anspruch 13, bei dem die Vergleichs- und Alarmeinrichtungen beim Erzeugen des Alarmsignales den weiteren Betrieb des Betätigungsorgans entweder unmittelbar dann, wenn die vorbestimmte Abweichung erreicht wird, oder am Ende von einer oder von mehreren nachfolgenden Betätigungsoperationen verhindert.

15. Antriebssystem für einen elektrischen Motor mit einem Betätigungsorgan nach einem der vorangehenden Ansprüche, einem Getriebe zwischen dem Ausgangsantrieb (5) des elektrischen Motors (3) und einem Endantrieb des Systems, einer Einrichtung (32) zum Messen des Drehmomentes, das bei einem vorgegebenen Schaltzustand des Getriebes entwickelt wird, und einer Monitoreinrichtung (36) die auf die Drehmomentmessung und die Komponente (19) anspricht, die das durch den Elektromotor (3) erzeugte elektrische Drehmoment darstellt, um ein Signal (37) zu erzeugen, das das Verhältnis der Drehmomente darstellt.

16. Antriebssystem für einen Elektromotor nach Anspruch 15, bei dem die Monitoreinrichtung zusätzlich auf das vorbestimmte Drehzahlverhältnis des Getriebes in dem vorbestimmten Schaltzustand anspricht, um dieses mit dem Drehmomentverhältnis zu multiplizieren, so daß das Signal den Wirkungsgrad des Antriebssystems in dem vorgegebenen Schaltzustand darstellt.

17. Antriebssystem für einen Elektromotor nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Transmission ein Getriebe aufweist, das den Antrieb von dem Motor (3) auf ein durch den Motor (3) betätigtes Ventil überträgt.

18. Programmierbares Ventilbetätigungssystem mit einem Betätigungsorgan (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Steuersystem dafür, das wenigstens auf Betriebsparameter des Betätigungsorgans anspricht, wobei das Steuersystem einen Empfänger (9) für Eingangsdaten (22 bis 25), die sich auf die Betriebsparameter des Betätigungsorgans beziehen, und ferner eine entfernte Programmiereinrichtung (100) aufweist, die sich außerhalb des Betätigungsorgans befindet, mit den Eingangsdaten (101) programmierbar ist und selektiv anpassbar ist, um die aufgezeichneten Eingangsdaten an den Empfänger zu übertragen.

19. Programmierbares Ventilbetätigungssystem nach Anspruch 18, bei dem die Programmiereinrichtung eine optische Code-Leseeinrichtung (100) aufweist, die auf vorgedruckte Code (102) anspricht, die die auszuwählenden und zu programmierenden Eingangsdaten repräsentieren.

20. Programmierbares Ventilbetätigungssystem nach Anspruch 19, bei dem die optische Code-Leseeinrichtung eine Barcode-Leseeinrichtung (100) ist und ferner ein Satz von verschiedenen vorgedruckten Barcodes (102) vorgesehen ist, die für verschiedenen Qptionen für die Eingangsdaten repräsentiv sind.