HUBMESSUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung und/oder Regelung der Stellung einer strömungsführenden Einheit (2). Ein mit einem Antrieb (6) in Verbindung stehendes Bauteil (7) weist einen Beschleunigungssensor (12) auf. Der Beschleunigungssensor (12) steht mit einer Auswerteeinrichtung (8) in Verbindung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Erfassung und/oder Regelung der Stellung einer strömungsführenden Einheit. Bei der strömungsführenden Einheit kann es sich beispielsweise um eine Armatur handeln oder um eine Pumpe, insbesondere eine Membranpumpe.

[0002] Armaturen haben zwei Hauptfunktionen. Zum einen dienen sie der Regulierung des Durchflusses, wobei zur Mengenregulierung insbesondere Ventile eingesetzt werden, bei denen eine sehr feine Verstellung des Hubes möglich ist. Zum anderen werden Armaturen auch als sogenannte Schaltarmaturen eingesetzt, die in der Regel komplett offen bzw. komplett geschlossen eingesetzt werden. Solche Schaltarmaturen können beispielsweise als Hähne, Schieber oder Klappen ausgeführt sein. Auch hier kann der Hub entweder kontinuierlich erfasst werden oder die Stellung der jeweiligen Armatur kann in ihren Endlagen, also komplett offen bzw. komplett geschlossen, erfasst werden.

[0003] Auch bei Membranpumpen besteht prinzipiell die Möglichkeit, den Hub zu erfassen und ggf. auch zu verstellen. Dadurch kann beispielsweise die Fördermenge unabhängig von der Frequenz, mit der gepumpt wird, verändert werden.

[0004] Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Huberfassung bekannt. Dazu kann beispielsweise auf Ventilen eine Endschalterbox auf dem Antriebsgehäuse befestigt werden. Es kann ein Schaltstück mit einer Kolbenstange verbunden werden, die mit dem Absperrkörper der Armatur in Verbindung steht. Eine Bewegung der Kolbenstange löst eine Bewegung des Schaltstücks aus. Je nach Position des Schaltstücks kann ein Näherungsschalter für komplett offen bzw. komplett geschlossen bedämpft werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, indem sich ein Metallgegenstand einem Feld nähert und es dann in einem Schwingkreis zu einer Bedämpfung kommt. Überschreitet die Bedämpfung einen Schwellenwert, so wird ein Signal ausgelöst.

[0005] Bei Vorrichtungen, die häufig im Stand der Technik eingesetzt werden, dient ein Oberbereich der Box, welche auf dem Antriebsgehäuse befestigt ist, dem elektrischen Anschluss eines Näherungsschalters an eine entsprechende Prozessleittechnikeinrichtung. Mit diesem herkömmlichen Aufbau lassen sich jedoch nur die Endlagen des Antriebs einer Armatur bzw. einer Pumpe detektieren.

[0006] Die Erfassung der Stellung einer strömungsführenden Einheit erfolgt bei herkömmlichen Systemen häufig über eine Wegerfassung mittels Potentiometern, Spulenarrays oder Hallsensoren. Dabei wertet ein Mikrocontroller ein Analogsignal aus, das anschließend digitalisiert wird. Die Positionen offen und geschlossen werden gespeichert und der IstWert des jeweiligen Sensors wird mit den gespeicherten Positionen verglichen. Wenn eine der beiden Endpositionen erreicht wird, wird über den Mikrocontroller der Ausgang offen oder geschlossen geschaltet.

[0007] In der DE 100 16 636 A1 wird ein Stellungsregler für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil beschrieben. Der Stellungsregler umfasst einen Positionsgeber zur Erfassung der Ist-Position eines Stellgliedes. Weiterhin umfasst der Stellungsregler eine Reglereinheit zum Vergleich der Ist-Position mit einer vorgebbaren Soll-Position zur Erzeugung eines Stellsignals. Als Positionsgeber wird ein Magnet mit einem magnetorestriktiven Sensor vorgesehen. Dabei wird vorzugsweise ein GMR-Sensor eingesetzt.

[0008] Die DE 103 60 434 B4 betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Stellung eines von einem Stellantrieb antreibbaren Bauteil, wie beispielsweise einer Ventilstange. Die Anordnung umfasst einen Positionssensor, der in einem Reglergehäuse untergebracht ist. Weiterhin umfasst die Anordnung einen beweglichen Bewegungsrepräsentanten, über den eine Stellbewegung des Bauteils hin zum Sensor übertragen wird. Wobei die Stellung des Bauteils über die Position des Bewegungsrepräsentanten erfasst wird. Es werden Stellbewegungskräfte von dem Bauteil auf den Bewegungsrepräsentanten berührungslos übertragen.

[0009] Die EP 0 961 066 B1 betrifft eine frei programmierbare Stellungsanzeigevorrichtung. Diese wird insbesondere für Ventile eingesetzt. Die Vorrichtung umfasst ein bewegbares Stellglied und eine Positionserfassungseinrichtung sowie eine elektronische Auswerteeinrichtung. Die Positionserfassungseinrichtung ist dem Stellglied zugeordnet und erfasst ständig die Position des Stellgliedes unter Erzeugung eines analogen Abgabesignals. Das Abgabesignal der Positionserfassungseinrichtung wird an die elektronische Auswerteeinrichtung für die Ermittlung einer Stellungsanzeige weitergeleitet. Die Stellungsanzeigevorrichtung ist derart ausgebildet, dass eine freie Programmierung der Stellungsanzeigevorrichtung mittels Aktivierung eines Mikroschalters möglich ist. Die erfassten Positionen werden in der Auswerteeinrichtung gespeichert.

[0010] In der EP 2 463 561 B1 wird eine Vorrichtung zur Auslösung eines Prozessventils beschrieben. Die Vorrichtung weist magnetorestriktive Sensoren auf. Über die Sensoren ist eine Erfassung der Stellung von Ventilen möglich.

[0011] In der EP 2 630 396 B1 wird eine elektrische Stellungsermittlungsvorrichtung zum Anbau an ein Ventil beschrieben. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem darin beweglich angeordneten Stellmittel. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine am Gehäuse angeordnete Feder. Das Stellmittel wird mit einer Federkraft beaufschlagt. Im Gehäuseoberteil befindet sich eine Positionserfassungseinrichtung. Das Gehäuseoberteil weist weiterhin eine Trägerplatte mit einer Stellmitteleinhausung und einem Außengehäuse auf. Das Stellmittel und die Feder sind innerhalb der Stellmitteleinhausung angeordnet.

[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Erfassung und/oder Regelung der Stellung einer strömungsführenden Einheit anzugeben, welche die Stellung einer strömungsführenden Einheit präzise und schnell erfasst. Die Anordnung soll sowohl die Endstellungen erfassen können als auch Zwischenstellungen beim Öffnen bzw. Schließen der strömungsführenden Einheit. Weiterhin soll sich die Anordnung durch eine einfache Montage und eine zuverlässige Arbeitsweise auszeichnen. Zudem soll die Anordnung einen möglichst geringen Bauraum einnehmen. Darüber hinaus soll die Möglichkeit gegeben werden, neben der Erfassung des Hubes auch andere Größen gegebenenfalls auch in Kombination mit dem Hub zu erfassen und zu verarbeiten. Zudem soll sich die Anordnung durch eine preiswerte Herstellungsweise und geringen Betriebskosten auszeichnen.

[0013] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung, ein Verfahren und eine Verwendung gemäß den Nebenansprüchen gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

[0014] Erfindungsgemäß weist ein mit einem Antrieb der strömungsführenden Einheit in Verbindung stehendes Bauteil einen Beschleunigungssensor auf. Der Beschleunigungssensor steht mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Beschleunigungssensor um ein Element, welches eine Masse aufweist wobei vorzugweise Trägheitskräfte bestimmt werden, welche auf die Masse wirken. Über eine Auswertung der Kraftmessung kann auf die Beschleunigung geschlossen werden. Durch Integration der Beschleunigung kann aus einer Beschleunigungs-Zeit-Funktion eine Geschwindigkeits-Zeit-Funktion ermittelt werden. Durch eine weitere Integration kann aus der Geschwindigkeit-Zeit-Funktion eine Weg-Zeit-Funktion berechnet werden. Die Weg-Zeit-Funktion wird über Referenzwerte so ausgewertet, dass eine Aussage über die Stellung der strömungsführenden Einheit ermöglicht wird. Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung kann auch eine Hubzählung erfolgen.

[0015] Ein großer Vorteil der Erfindung ist, dass das System ohne mechanische Adaption eingesetzt werden kann. Bei einer bevorzugten Variante wird der Sensor auf einem Bauteil angebracht oder in ein Bauteil integriert, wobei sich dazu vorzugsweise eine Stange eignet. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung keine mechanische Adaption erforderlich ist, wird ein deutlich geringerer Bauraum benötigt als bei herkömmlichen Lösungen. Durch den Wegfall der Adaption werden Kosten eingespart.

[0016] Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung steht das Bauteil, welches den Beschleunigungssensor aufweist, mit einem Absperrelement in Verbindung. Beispielsweise kann es sich bei dem Bauteil um eine Kolbenstange handeln, die mit einem Absperrkörper eines Ventils in Verbindung steht. Mit einer linearen Bewegung der Kolbenstange kann der Absperrkörper in seiner Position verändert und somit der Durchfluss der strömungsführenden Vorrichtung reguliert werden. Erfindungsgemäß kann also die Position des Absperrkörpers einerseits sehr fein ermittelt werden, um eine Dosiermöglichkeit zu schaffen, andererseits eignet sich eine grobe Positionsermittlung insbesondere zur Erfassung der Endlagen, also der Positionen "AUF" und "ZU" eines Absperrelements. Der kumulierte Hubweg über die Zeit gibt einen Ansatz zur Verschleißerkennung. So lassen sich zunächst Prognosen erstellen für die Lebensdauer einer Membran in einem bestimmten Einsatzgebiet. Gleichzeitig lassen sich aber auch Daten erfassen, anhand derer zukünftige Prognosen verbessert werden können.

[0017] Der Beschleunigungssensor kann mit der Auswerteeinheit mit Kabeln verbunden sein. Bei einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung steht der Beschleunigungssensor drahtlos mit der Auswerteeinrichtung in Verbindung. Dabei kommt vorzugsweise ein Nahbereichsfunksystem, insbesondere ein RFID-System und/oder ein Bluetooth-System zum Einsatz. Durch die drahtlose Verbindung des Beschleunigungssensors mit der Auswerteeinheit wird Bauraum eingespart. Weiterhin wird eine flexible Positionieung der Auswerteeinrichtung ermöglicht. Somit ist es im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr zwingend erforderlich, dass die Auswerteeinrichtung beispielsweise auf dem Antrieb angeordnet sein muss. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Auswerteeinheit auch an anderen Stellen positioniert werden, beispielsweise auf einer Vorrichtung zur Führung des Mediums, insbesondere auf einer Rohrleitung. Dies ermöglicht auch die Erfassung weiterer Messgrößen.

[0018] Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung weist die Auswerteeinrichtung weitere Sensoren auf, wobei sich insbesondere Temperatursensoren als vorteilhaft erweisen. Durch die Ermittlung von weiteren Daten über zusätzliche Sensoren können alleine oder in Kombination mit den Signalen des Beschleunigungssensors Aussagen zum Betriebszustand der strömungsführenden Einheit oder des Mediums getroffen werden.

[0019] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

[0020] Dabei zeigt

Figur 1

ein Regelventil,

Figur 2

einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines Antriebs,

Figur 3

Varianten zur Anordnung der Auswerteeinrichtung.

[0021] In eine Rohrleitung 1 einer nicht dargestellten Anlage ist eine strömungsführende Einheit 2 eingebaut. Die strömungsführende Einheit 2 ist bei der Darstellung gemäß Figur 1 als Ventil ausgeführt, das über einen entsprechenden Hub eines mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Elements 4 den Durchfluss eines Mediums 5 regelt. Die Hubbewegung wird durch einen Antrieb 6 erzeugt und mittels eines Bauteils 7 auf das Element 4 übertragen. Im Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 7 als Stange ausgeführt und das Element 4 als Absperrkörper. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist rein exemplarisch ein pneumatischer Antrieb 6 beispielhaft dargestellt. Vorzugsweise kommt jedoch bei der Erfindung ein elektrischer Antrieb 6 zum Einsatz.

[0022] Die Stellung der strömungsführenden Einheit 2 wird erfasst und es wird ein der Stellung entsprechendes analoges Ausgangssignal erzeugt. In Figur 1 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der eine Verbindung mit einer Auswerteeinrichtung 8 über ein Kabel 9 erfolgt. Das Kabel 9 führt die Bewegungen des Bauteils 7 zumindest teilweise mit aus. Die Auswerteeinrichtung 8 vergleicht die mit dem Signal erhaltene Ist-Position des Bauteils 7 mit einem über eine Datenschnittstelle 10 von einem Feldbus 11 zugeführten Sollwert und regelt die Regelabweichung aus.

[0023] Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines mit einem Antrieb 6 in Verbindung stehenden Bauteils 7 einer strömungsführenden Einheit 2. Bei der Darstellung gemäß Figur 2 wirkt der Antrieb 6 als Linearantrieb. Erfindungsgemäß weist das Bauteil 7 einen Beschleunigungssensor 12 auf. Der Beschleunigungssensor 12 bzw. Beschleunigungsaufnehmer wird auf dem als Kolbenstange ausgeführten Bauteil 7 befestigt. Beispielsweise kann der Beschleunigungssensor 12 aufgeklebt oder mit Befestigungsmitteln auf der Oberfläche der Kolbenstange angeordnet werden. Bei einer Variante der Erfindung kann der Beschleunigungssensor 12 auch in das Bauteil 7 integriert werden.

[0024] Bei der Darstellung gemäß Figur 2 verfügt der Beschleunigungssensor 12 über ein System mit dem eine drahtlose Übertragung der Sensorsignale möglich ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein Nahbereichsfunksystem. Beispielsweise kann ein RFID-System oder auch ein Bluetooth-LE-System zum Einsatz kommen. Die Sensorsignale werden an eine Auswerteeinrichtung 8 übertragen, die in Figur 2 nicht dargestellt ist. Die Auswerteeinrichtung 8 kann auch als Steuer- bzw. Regeleinrichtung eingesetzt werden. Der Beschleunigungssensor 12 wirkt dabei als Positionsgeber zur Erfassung der Ist-Position eines Stellgliedes und wirkt mit der als Regeleinheit ausgeführten Auswerteeinrichtung 8 zum Vergleich der Ist-Position mit einer vorgebbaren Soll-Position zur Erzeugung eines Stellsignals zusammen.

[0025] Die Auswerteeinrichtung 8 wertet die Signale des Beschleunigungssensors 12 aus. Durch zweifache Integration der Beschleunigung kann der Weg des Beschleunigungssensors 12 errechnet werden. Dadurch lässt sich der Beschleunigungssensor 12 auch als Hubzähler nutzen. Das System kann ohne mechanische Adaption eingesetzt werden. Es muss lediglich auf dem Bauteil 7 befestigt werden. Durch den Verzicht einer mechanischen Adaption ist der Bauraum deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen nach dem Stand der Technik. Es können auch Kosten durch den Wegfall der Adaption eingespart werden.

[0026] Bei der in Figur 2 dargestellten drahtlosen Verbindung wird vorzugsweise ein zusätzliches Funkmodul eingesetzt. Die Energieversorgung des Funkmoduls kann über eine Batterie, einen Akku oder "Energy Harvesting" erzeugt werden. Als Energy Harvesting bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen für mobile Geräte mit geringer Leistung. Dazu werden vorzugsweise Nanogeneratoren eingesetzt. Durch dieses System werden bei der in Figur 2 dargestellten Drahtlostechnologie Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgungen oder Batterien vermieden.

[0027] Figur 3 zeigt unterschiedliche Varianten zur Anordnung der Auswerteeinrichtung 8. Die Auswerteeinrichtung 8 kann beispielsweise auf dem Antrieb 6 sitzen. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Auswerteeinrichtung 8 an einer Vorrichtung 13 zur Führung des Mediums 5 angeordnet ist. Bei der Vorrichtung 13 handelt es sich bei der Darstellung gemäß Figur 3 um eine Rohrleitung. Durch die Möglichkeit der Positionierung der Auswerteeinrichtung 8 auf einer Rohrleitung kann beispielsweise kostengünstig ebenfalls der Temperaturverlauf des Mediums 5 ermittelt werden. Gemeinsam mit weiteren Messwerten ist es somit möglich, wichtige Informationen zu sammeln, um Aussagen zur erwarteten Lebensdauer der strömungsführenden Einheit zu ermitteln. Insbesondere können dadurch beispielsweise bei einer Membranpumpe oder einem Membranventil Aussagen zur Lebensdauer der eingesetzten Membran getroffen werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine flexible Position der Auswerteeinrichtung 8.

Ansprüche

1. Anordnung zur Erfassung und/oder Regelung der Stellung einer strömungsführenden Einheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem Antrieb (6) in Verbindung stehendes Bauteil (7) einen Beschleunigungssensor (12) aufweist, der mit einer Auswerteeinrichtung (8) in Verbindung steht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (7) als Stange ausgeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (7) mit einem Element (4) in Verbindung steht, wobei das Element (4) vorzugsweise als Absperrelement ausgeführt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (12) mit der Auswerteeinrichtung (8) drahtlos in Verbindung steht, insbesondere über ein Nahbereichsfunksystem, vorzugsweise einem RFID-System und/oder einem Bluetooth-System.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (12) auf dem Bauteil (7) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (12) in das Bauteil (7) integriert ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) an einer Vorrichtung (13) zur Führung eines Mediums (5) zu oder von der strömungsführenden Einheit (2) angeordnet ist, insbesondere dass die Auswerteeinrichtung (8) an einer Rohrleitung angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) Sensoren aufweist, insbesondere Temperatursensoren.

9. Verfahren zur Erfassung und/oder Regelung der Stellung einer strömungsführenden Einheit (2) mit folgenden Schritten:

- Erfassung der Signale eines Beschleunigungssensors (12),

- Integration der Beschleunigung als Funktion der Zeit zur Berechnung einer Geschwindigkeitszeitfunktion,

- Integration der Geschwindigkeit als Funktion der Zeit zur Berechnung einer Wegzeitfunktion

- Berechnung des Weges des Sensors.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hubzählung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung des kumulierten Hubweges erfolgt, wobei bei einer Regelarmatur auch Teilwege des Hubes ermittelt werden.

12. Verwendung eines Beschleunigungssensors (12) zur Erfassung und/oder Regelung der Stellung einer strömungsführenden Einheit (2).

Zeichnung