阀门的诊断系统和诊断方法

专利名称：阀门的诊断系统和诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分及权利要求4前序部分所述的用于可由一位置调节器经一驱动机构来操作的一阀门的诊断系统和诊断方法。
在加工技术和能量技术的许多领域中，一个装置的无干扰运行取决于所使用的控制阀和截止阀的完好功能。为避免会增加成本的无规则运行中断，阀门的故障应当尽可能在其起始阶段就已看出，即可以在阀门失效前使该装置停机。例如，有缺陷的阀座导致流动泄漏，该流动泄漏产生宽频声波发射。从而接收和分析阀门的声波发射可以用于早期识别阀门故障。由于阀门缺陷会导致故障和昂贵的后续成本，可能带有自动测量和可编程缺陷评价的诊断具有很大的用途。对诊断数据的统计分析既可以使及时更换有故障阀门的维修过程最佳化，又可以用来对阀门制造者作质量评估和分类或者判断某一确定阀门对各类过程的适用性。
德国专利申请公开说明书DE 199 24 377 A1公开了一种用于由一位置调节器经一驱动机构来操作的阀门的诊断系统，该诊断系统具有一个用于获取、存储和分析对该阀门所测量的固体声波(或称结构噪声(structure-bornenoise))可靠的阀门诊断，在该用于获取、存储和分析的装置中对一个处于极微小打开的无缺陷阀门所测得的固体声波频谱可进行暂存。为了诊断，将对关闭阀门所测得的固体声波频谱与该暂存的固体声波频谱进行比较，将该偏差作为该阀门泄漏的判据。
在德国专利申请公开说明书DE 199 47 129 A1中公开了另一种阀门诊断系统。
本发明要解决的技术问题是提供一种能改善诊断结果可靠性的诊断系统和诊断方法。
为解决上述技术问题，本说明书开始部分所提到的这一类新诊断系统具有权利要求1特征部分所给出的技术特征，而诊断方法具有权利要求4特征部分所给出的技术特征。在从属权利要求中说明了优选的进一步改进措施。
为可靠地借助声学发射检测诊断流动泄漏，希望得到相当于关闭位置基声波的测量信号和相当于在阀门小泄漏时的声波发射的测量信号。通过在校准时将无缺陷阀门关闭(因而根本不会出现流动噪声)的方式测量基声波。引起基声波的原因主要是阀门驱动时的运行噪声以及由相邻泵通过管道传入到加工技术装置中的固体声波。通过由小阀门间隙所模拟的泄漏，记录下那个与阀门小泄漏时的固体声波完全相当的测量信号。本发明基于下述认知如果在关闭状态未出现可疑的声波，则可能会错误地将一个阀门判定为好的，即无缺陷的。这是因为例如经过阀门的压力降不够大。然而，在这种情况下作为测量结果至多能够显示当前就借助固体声波进行泄漏检测而言可能没有诊断结论。因此，为了改善诊断结论的可靠性，应当确定下述边界条件1)为借助固体声波进行泄漏检测，该阀门必须被关闭；2)应当知道阀门之前的压力；3)应当知道阀门之后的压力(其中作为2)和3)的一种替代方式，原则上知道经过阀门的压力降就已足够了)；4)应当知道影响声波信号的介质性能。
此外，为了进行前面已描述的诊断，需要得知在正常运行条件下阀门关闭时的基声波和由小阀门间隙所模拟的泄漏声波以及阀门关闭时的瞬时声波。通过将该装置中的新的无缺陷的阀门关闭(从而完全没有流动噪声)来测量基声波。泄漏声波与模拟泄漏声波一样在很大程度上取决于边界条件2)至4)。原则上有可能在该阀门前后分别设置测量实际压力的压力传感器来确定边界条件2)和3)。通过在各个测量中对边界条件2)至4)作各种调节的条件下进行系列测量，可以确定和存储校准时泄漏声波与边界条件2)至4)的关系。然而，系列测量的完成和两个用于获取当时运行条件的压力测量装置意味着相当大的花费。
边界条件1)可以通过一个通常存在的位置发送器来得知或者假定在关闭该阀门后的一预定时间就得到了满足。
本发明的优点在于在校准时只需要记录和分析该阀门在关闭位置时的基声波。模拟的泄漏声波不是在校准时、而是在运行时进行记录，即在时间上紧靠着对那个在阀门关闭时用作分析以检测泄漏的测量信号进行记录的时刻。由于在记录模拟泄漏信号和记录阀门关闭时声波信号两者之间的时间间隔很小，可以认为这两次测量是在相近似的边界条件2)至4)下进行的。从而提高了诊断结论的可靠性。此外本发明在校准时具有较小的花费，因为在此仅需要测量基声波，且不需要用于获知边界条件的测量装置。
诊断结论的可靠性还可通过下述措施得到提高仅仅在模拟泄漏足以与校准时记录的基波相区别时才给出好坏结论。如果未给出足够的区别，则产生一个告知信号，指示当前可能诊断不出泄漏。其原因例如可以是经过阀门的压力降不足以在泄漏时产生明显的可诊断流动噪声。从而，一个诊断结论仅仅在该诊断结论在当前运行阶段基于合适的边界条件有可能得出时才会作出。于是，仅仅在这种情况下产生一个指示检测泄漏流动的故障信号，即，当在运行中的阀门关闭位置时记录的固体声波信号沿着模拟泄漏声波方向明显不同于基声波时。然而如果在阀门关闭时测量信号曲线仅仅与基声波区别很小时，则不会进行故障报警，或者只是显示阀门不存在泄漏。
如果为获知模拟泄漏声波而记录在阀门关闭期间和/或开启期间在阀门接近关闭位置的各时段中的另一些测量信号曲线和为诊断而对它们进行分析，则具有进一步提高诊断结论可靠性的优点。由于阀门和驱动机构的允许误差以及由于阀门中可能存在软质密封，要产生一个相当于阀门小泄漏的小间隙是极其困难的。优选通过上述措施来使此变得容易。按照阀门调节区域各段所进行的区分例如按照下述方式来完成接着在一个分析装置中将一个在关闭过程或开启过程期间连续记录的测量信号按照时间区域进行细分。作为对此的一种替换方式，可以在关闭过程或开启过程以预定的时间间隔记录多个带有各短时间隔的测量信号曲线，然后用这些测量信号曲线来表示至少几个在靠近阀门关闭位置时阀门调节区域各段中被记录的测量信号曲线。然后这些曲线表示不同泄漏情况的模拟曲线。
如果由多个可以用于表征测量信号曲线的特性参数来选择出第一个值与第二个值相差最大的那个参数，则该故障结论的可靠性十分有利地得到进一步提高。对于这种特性参数例如可以是各时间曲线的振幅、峰值、有效值或峰值因数以及在该频谱的一个或多个频带中的振幅或者频谱功率密度。在此，峰值因数为峰值与有效值之比。显然，该特性参数同样可通过将所提到的参数或其他合适的参数进行逻辑连接、例如借助一模糊逻辑电路或一神经元网络(neuronal Netz)来确定。
该诊断系统优选设计成该位置调节器的集成组成部件，从而对该阀门的诊断可以由位置调节器的数据接口来引发，且诊断结果作为故障信号以好或坏的结论方式经该数据接口送出。显然，一个指示可以由直接设置在位置调节器上的指示灯来表示，例如绿色表示无泄漏，黄色表示可能未诊断出泄漏。而红色表示有泄漏。
下面结合描述具体实施方式
的附图对本发明及其布置和优点作详细说明。


图1示出了带有一诊断系统的一控制阀的原理结构；图2示例性地示出了各种声谱曲线。
在一个未作进一步说明的加工技术装置的管道1上如图1所示安装了一个阀门2，该阀门通过一个与阀座3共同起作用的闭合体3的相应升高行程来控制介质5的流量。该闭合体的升高行程由一气动驱动机构6来产生，且借助一阀杆7传递给闭合体4。该驱动机构6经一个轭铁8与该阀门的壳体相连接。在该轭铁8上安装了一个带有一调节单元18的位置调节器9，该调节单元在输入侧通过一个啮合在阀杆7上的连接件10来测量其升高行程，将此升高行程与一个由场数据总线的数据接口11所传送的额定值进行比较，且在输出侧以控制调差的方式控制该气动驱动机构6。在该阀门2的壳体上安装了一个固体声波接收器12，将该接收器的信号13作为测量信号传送给用来分析该已接收测量信号13的装置14。该装置14在所给出的实施方式中是位置调节器的组成部件，但是作为一种替换方式可以与该位置调节器相分开。该装置14包括一个将声波接收器12的测量信号13放大、滤波和数字化的信号处理电路15。在一个随后的计算单元中，由该经过处理的信号13例如通过一快速付里叶变换还得到频谱。该频谱根据需要暂存在一存储器17中或再进行分析以得到与该阀门2状态有关的信息。对该阀门的诊断周期性地完成或者由数据接口11来触发，通过该数据接口还可访问该诊断结果。
作为一种所示实施方式的替换方式，可以将由该装置单独的分析功能设置在一台与场总线相连接的个人电脑中，且将一数字化的测量信号或者描述该测量信号特性参数的数据经数据接口11传送到该个人电脑中。
在校准时，由位置调节器9将阀门2关闭。对完全关闭的阀门13记录测量信号13的曲线，且借助该测量信号的曲线确定第一个值w1，如下面结合图2所作的说明。图2所示曲线图中的横坐标是频率，纵坐标是频谱功率密度。其涉及的仅仅是定性描述，其中没有给出比例。在此，值w1相当于基声波功率密度的频谱曲线s1在边界频率A和B之间频带处的峰值，其由记录的测量信号曲线借助快速付里叶变换计算求得。于是在所示实施方式中该功率密度在由频率A和B所限定的频带段的峰值被用来作为特性参数。将在校准时记录的测量信号曲线进行暂存，从而在随后运行时作为这一特性参数的替换可测取另一些特性参数值，且为实施进一步诊断对它们可进行分析，只要这另一些特性参数在运行时所记录的曲线明显不同于校准时记录的曲线即可。在该阀门较后的运行期间，在优选的缓慢关闭过程中记录和暂存多个测量信号曲线。如果该关闭过程完成得足够慢并且足够频繁地进行测量，则可以在阀门开启很小时测得这些曲线。根据暂存的测量曲线对阀门调节范围的各段分别测得其特性参数的值，在所示实施方式中测得该频谱功率密度在极限频率A和B之间频带处的峰值。对阀门诊断作进一步分析时，从这些值中选择那些明显与第一个值不同的值作为该特性参数的第二个值。在图2中绘入了所属频谱曲线s2和该特性参数的值w2。曲线s2表示一模拟泄漏声波的频谱。如果第二个值w2至少为第一个值w1的1.5倍，应可确定在此主要运行条件下阀门可能存在泄漏。如果第一个值w1相对于第二个值w2的偏差值小于第一个值w1的一半，则产生一个告知信号表示在此主要运行条件下可能未诊断到泄漏。从而。在上述例子中，规定了第一阈值为第一个值w1的一半。
作为所述由多个进一步取得的该参数的值来确定该参数第二个值的替换方式，显然还可以直接从一个在阀门处于相当于小泄漏时的间隙位置直接记录的测量信号曲线来确定第二个值。
现在依据第一个值w1和第二个值w2来确定第二个阈值，由该第二个阈值来规定在关闭的阀门位置时从什么时候开始应当得出存在泄漏的结论。该阀门要么因为工艺过程的要求而关闭，要么是在工艺加工技术装置运行期间仅仅出于诊断目的而关闭。在这种情况下将带有频谱曲线s3的第三测量信号曲线记录下来。由该曲线确定该特性参数的第三个值。因为第三个值w3偏离第一个值w1而形成第二个阈值，例如比第一个值w1提高了0.2倍，则在图2表示的实例中确定该阀门存在泄漏，且经数据接口11(图1)发出一故障信号，该故障信号在一个上一级过程控制中进行处理，例如显示有维修需求。
作为这种实施方式的一种替换方式，该装置14还可以这样构造，以便从一些预先给定的特性参数中选择出其第一个值与至少其他特性参数之一相差最大的特性参数来进行诊断。作为特性参数的例子可以是测量信号曲线的振幅、峰值、有效值或峰值因数。另一些例子是已提到过的在不同频带中的功率密度或者频谱信号部分的振幅。
另一种替换方式是在校准时在开启过程期间或在一组合关闭和开启过程期间记录在阀门调节范围各段的测量信号曲线。记录测量信号的第二和第三曲线及其他曲线的顺序可以任意选择。数字的使用仅仅为了能作出清楚的表达。
权利要求
1.一种用于一阀门的诊断系统，该阀门可由一位置调节器(9)经一驱动机构(6)来操作，其中，该诊断系统包括一个固体声波接收器(12)和一个用于分析所记录的固体声波的测量信号(13)的装置(14)，其特征在于在该装置(14)中在校准时借助一个在阀门(2)关闭位置时所记录的测量信号(13)的一第一曲线可确定一特性参数的第一个值(w1)；在该阀门运行时，借助至少一个在阀门调节范围靠近阀门(2)关闭位置的那一段所记录的第二曲线可确定该特性参数的至少第二个值(w2)，且借助一个在阀门(2)关闭位置时所记录的测量信号(13)的第三曲线可确定该特性参数的第三个值(w3)；如果第二个值相对于第一个值的偏差值未超过一预先给定的第一阈值，则可产生一个告知信号来表示可能诊断不到泄漏；依据第一个值(w1)和第二个值(w2)可确定用于判断第三个值(w3)相对于第一个值(w1)是否只有允许偏差的第二阈值；如果第二个值(w2)相对于第一个值(w1)的偏差值超过第一阈值、且第三个值(w3)相对于第一个值(w1)的偏差值超过第二阈值，则该装置(14)可产生一个故障信号。
2.按照权利要求1所述的诊断系统，其特征在于借助另一些在阀门关闭过程期间和/或开启过程期间分别在该阀门调节范围靠近该阀门(2)关闭位置的各段中所记录的曲线可确定该特性参数的另一些值，且该第二个值(w2)可根据上述另一些值来确定。
3.按照权利要求1或2所述的诊断系统，其特征在于从振幅、峰值、有效值、峰值因数这些参数中的至少两个或者处于不同频带的各功率密度或各振幅中可确定出其第一个值与其第二个值相差最明显的那个参数，并可选择其作为特性参数。
4.一种用于一阀门的诊断方法，该阀门可由一位置调节器(9)经一驱动机构(6)来操作，其中，该阀门带有一个固体声波接收器(12)和一个用于分析所记录的固体声波测量信号(13)的装置(14)，其特征在于在校准时，借助一个在阀门(2)关闭位置时所记录的测量信号(13)的一第一曲线确定一特性参数的第一个值(w1)；在该阀门(2)运行时，借助至少一个在阀门调节范围靠近阀门(2)关闭位置的那一段所记录的第二曲线至少确定该特性参数的第二个值(w2)，且借助一个在阀门(2)关闭位置时所记录的测量信号(13)的第三曲线确定该特性参数的第三个值(w3)；如果第二个值相对于第一个值的偏差值未超过一预先给定的第一阈值，则产生一个告知信号来表示可能诊断不到泄漏；依据第一个值(w1)和第二个值(w2)确定用于判断第三个值(w3)相对于第一个值(w1)是否只有允许偏差的第二阈值；如果第二个值(w2)相对于第一个值(w1)的偏差值超过第一阈值、且第三个值(w3)相对于第一个值(w1)的偏差值超过第二阈值，则产生一个故障信号。
全文摘要
本发明公开了一种用于可由一位置调节器(9)经一驱动机构(6)来操作的阀门的诊断系统和诊断方法，该诊断系统包括一个固体声波接收器(12)和一个用于分析所记录的固体声波测量信号(13)的装置(14)。在校准时记录一个在阀门(2)关闭位置时的测量信号的第一曲线，并由其来确定一个特性参数的第一个值(w1)。为模拟泄漏声波，将运行中的阀门(2)几乎关闭，记录该测量信号的第二曲线和确定第二个值(w2)。如果第二个值相对于第一个值的偏差值足够大，就可以进行诊断检测，否则便不能进行诊断检测。这是因为经过阀门的压力降可能太小。在阀门关闭状态，记录该测量信号的第三个曲线，并确定第三个值(w3)。在第三个值(w3)相对于第一个值(w1)的偏差值过大时，只要如上所述已确定可进行诊断检测时，则推断发生了泄漏。通过本发明可以得到可靠的诊断结论而不要求为检测运行条件而采用附加的测量装置，例如压力变换器。
文档编号F16K37/00GK1662764SQ03814378
公开日2005年8月31日 申请日期2003年4月22日 优先权日2002年4月26日
发明者阿尔夫·普特默, 沃尔夫冈·恩斯 申请人:西门子公司