In vielen Bereichen der Prozess-und Energietechnik hängt der störungsfreie Betrieb einer Anlage von der einwandfreien Funktion der eingesetzten Steuer-und Sperrventile ab. Zur Vermeidung kostenintensiver, irregulärer Betriebsunterbre- chungen sollten Ventilschäden möglichst bereits im Anfangs- stadium erkannt werden, d. h. bevor ein Ausfall eines Ventils einen Stillstand der Anlage verursachen kann. Beispielsweise führen defekte Ventilsitze zu Leckströmungen, die eine breit- bandige Schallemission erzeugen. Eine Aufnahme und Auswertung der Schallemission eines Ventils kann somit zur Früherkennung von Ventilschäden dienen. Da Ventilfehler zu Schäden und teu- ren Folgekosten führen können, ist eine Diagnose evtl. mit automatischer Erfassung und programmierbarer Bewertung der Fehler von großem Nutzen. Statistische Auswertungen der Diag- nosedaten können sowohl zur Optimierung der Wartungsprozesse für einen rechtzeitigen Ersatz eines schadhaften Ventils als auch zur qualitativen Beurteilung und Klassifizierung der Ventilhersteller oder zur Beurteilung der Eignung bestimmter Ventile für verschiedene Prozessarten dienen.

Aus der DE 199 24 377 AI ist ein Diagnosesystem für ein von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbares Ventil bekannt, das eine Einrichtung zur Erfassung, Speicherung und Auswertung von an dem Ventil gemessenen Körperschallspektren aufweist. Um eine besonders zuverlässige Ventildiagnose zu ermöglichen, ist in der Einrichtung zur Erfassung, Speiche- rung und Auswertung ein bei geringfügig geöffnetem, intaktem Ventil erfasstes Körperschallspektrum abspeicherbar. Zur

Diagnose wird ein bei geschlossenem Ventil erfasstes Kör- perschallspektrum mit dem abgespeicherten verglichen und die Ähnlichkeit als ein Kriterium für die Undichtigkeit des Ven- tils herangezogen.

Ein weiteres Diagnosesystem für ein Ventil ist aus der DE 199 47 129 Al bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Diagnosesystem und ein Diagnoseverfahren zu schaffen, die sich durch eine verbesserte Zuverlässigkeit des Diagnoseergebnisses auszeich- nen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Diagnosesystem der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An- spruchs 1 bzw. das Diagnoseverfahren die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 angegebenen Merkmale auf. In den Unter- ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.

Für eine zuverlässige Detektion von Leckströmungen anhand einer Messung der akustischen Emission sind ein Messsignal, das den Grundschall des Ventils in geschlossener Stellung und ein Messsignal, das der Schallemission bei einer kleinen Leckage des Ventils entspricht, erwünscht. Der Grundschall wird gemessen, indem das intakte Ventil bei einer Kalibrie- rung geschlossen wird und somit keinerlei Strömungsgeräusche auftreten können. Ursachen für den Grundschall sind im We- sentlichen Betriebsgeräusche des Ventilantriebs sowie über Rohrleitungen von benachbarten Pumpen in der prozesstechni- schen Anlage eingekoppelter Körperschall. Ein Messsignal, das sehr gut dem Körperschall bei einer kleinen Leckage des Ven- tils entspricht, wird aufgenommen, indem die Leckage durch einen kleinen Ventilspalt simuliert wird. Die Erfindung be- ruht nun auf der Erkenntnis, dass ein Ventil fälschlicherwei- se als gut, d. h. als leckagefrei, beurteilt werden könnte, wenn bei geschlossenem Zustand kein verdächtiger Schall ent- steht, da beispielsweise der Druckabfall über dem Ventil

nicht ausreichend hoch ist. In diesem Fall könnte jedoch allenfalls als Diagnoseergebnis angezeigt werden, dass der- zeit keine Diagnoseaussage bezüglich einer Leckagedetektion mittels Körperschall möglich ist. Zur Verbesserung der Zuver- lässigkeit von Diagnoseaussagen sollten daher die folgenden Randbedingungen erfasst werden : 1) Das Ventil muss für eine Leckagedetektion anhand des Körperschalls geschlossen sein, 2) der Druck vor dem Ventil und 3) der Druck hinter dem Ventil sollten bekannt sein, wobei prinzipiell anstelle von 2) und 3) die Kenntnis des Druckabfalls über dem Ventil alternativ ausreichen würde, 4) die Eigenschaften des Mediums, welche das Schallsignal beeinflussen, sollten bekannt sein.

Zusätzlich werden zur Diagnose, wie bereits oben beschrieben, der Grundschall des geschlossenen Ventils unter normalen Betriebsbedingungen und ein durch einen kleinen Ventilspalt simulierter Leckageschall sowie selbstverständlich der mo- mentane Schall bei geschlossenem Ventil benötigt. Der Grund- schall wird gemessen, indem das neue, intakte Ventil in der prozesstechnischen Anlage geschlossen wird, so dass keinerlei Strömungsgeräusche auftreten können. Der Leckageschall ist ebenso wie der simulierte Leckageschall stark von den Randbe- dingungen 2) bis 4) abhängig. Prinzipiell wäre es möglich, vor und hinter dem Ventil zur Bestimmung der Randbedingungen 2) bzw. 3) jeweils Drucksensoren vorzusehen, die den aktuel- len Druck erfassen. Durch Messreihen unter jeweils verschie- denen Einstellungen der Randbedingungen 2) bis 4) bei den einzelnen Messungen könnte die Abhängigkeit des Leckage- schalls von den Randbedingungen 2) bis 4) in einer Kalibrie- rung bestimmt und hinterlegt werden. Die Durchführung der Messreihen und zwei Druckmessgeräte zur Erfassung der jewei- ligen Betriebsbedingung würden jedoch einen erheblichen Auf- wand bedeuten.

Die Randbedingung 1) kann durch einen üblicherweise vorhandenen Positionsgeber erfasst werden oder wird eine vorgegebene Zeit nach dem Schließen des Ventils als erfüllt angenommen.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass bei der Kalibrierung le- diglich der Grundschall bei geschlossener Stellung des Ven- tils aufgenommen und ausgewertet werden muss. Ein simulierter Leckageschall wird nicht bei der Kalibrierung, sondern im Be- trieb aufgenommen, d. h. in zeitlicher Nähe zur Aufnahme des Schallsignals bei geschlossenem Ventil, das zur Detektion einer Leckage ausgewertet wird. Aufgrund des geringen zeit- lichen Abstands zwischen der Aufnahme des simulierten Lecka- geschalls und der Aufnahme des Schallsignals bei geschlos- senem Ventil kann von vergleichbaren Randbedingungen 2) bis 4) bei den beiden Messungen ausgegangen werden. Damit wird die Zuverlässigkeit einer Diagnoseaussage erhöht. Zudem zeichnet sich die Erfindung durch einen geringeren Aufwand bei der Kalibrierung aus, da hier lediglich der Grundschall erfasst werden muss und Messgeräte zur Erfassung der Randbe- dingungen nicht erforderlich sind.

Die Zuverlässigkeit der Diagnoseaussage wird dadurch weiter erhöht, dass nur dann eine Gut-oder Schlechtaussage aus- gegeben wird, wenn sich der simulierte Leckageschall aus- reichend vom bei der Kalibrierung aufgenommenen Grundschall unterscheidet. Wenn dies nicht der Fall ist, wird ein Melde- signal erzeugt zur Anzeige, dass derzeit keine Diagnose einer Leckage möglich ist. Ursache dafür kann beispielsweise sein, dass der Druckabfall über dem Ventil nicht ausreicht, um bei einer Leckage deutlich detektierbare Strömungsgeräusche zu erzeugen. Eine Diagnoseaussage wird somit nur dann getroffen, wenn diese in der jeweiligen Betriebsphase aufgrund geeigne- ter Randbedingungen möglich ist. Nur in diesem Fall wird somit ein Fehlermeldesignal, das eine detektierte Leckströ- mung anzeigt, erzeugt, sofern sich das bei geschlossener Stellung des Ventils im Betrieb aufgenommene Messsignal des

Körperschalls deutlich vom Grundschall in Richtung des simu- lierten Leckageschalls unterscheidet. Unterscheidet sich der Verlauf des Messsignals bei geschlossenem Ventil jedoch nur geringfügig vom Grundschall, so wird kein Fehler gemeldet oder es wird angezeigt, dass keine Leckage am Ventil vor- handen ist.

Wenn zur Erfassung des simulierten Leckageschalls weitere Verläufe des Messsignals jeweils in verschiedenen Abschnitten des Ventilstellbereichs nahe bei geschlossener Stellung des Ventils während eines Schließvorgangs und/oder während eines Öffnungsvorgangs aufgenommen und zur Diagnose ausgewertet werden, so hat dies den Vorteil, dass die Zuverlässigkeit der Diagnoseaussage weiter erhöht wird. Aufgrund der Toleranzen des Ventils und des Antriebs sowie aufgrund einer evtl. vor- handenen Weichdichtung im Ventil ist es nämlich äußerst schwierig, einen derart kleinen Spalt in der Weise zu erzeu- gen, dass er einem kleinen Leck des Ventils entspricht. Dies wird durch die beschriebene Maßnahme in vorteilhafter Weise erleichtert. Die Unterscheidung nach Abschnitten des Ventil- stellbereichs kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein kontinuierlich während eines Schließ-oder Öffnungsvorgangs aufgezeichnetes Messsignal anschließend in einer Auswerte- einrichtung nach Zeitbereichen unterteilt wird. Alternativ dazu ist es möglich, während eines Schließ-oder Öffnungs- vorgangs in vorgebbaren Zeitabständen mehrere Verläufe des Messsignals mit jeweils kurzen Intervallen aufzunehmen, von denen dann zumindest einige Messsignalverläufe darstellen, die in verschiedenen Abschnitten des Ventilstellbereichs nahe bei geschlossener Stellung des Ventils aufgenommen sind. Die- se stellen dann simulierte Verläufe für verschiedene Leck- raten dar.

Die Zuverlässigkeit der Fehleraussage kann vorteilhaft weiter erhöht werden, wenn von mehreren Kenngrößen, die zur Charak- terisierung des Verlaufs des Messsignals herangezogen werden können, diejenige ausgewählt wird, bei welcher sich der erste

Wert von dem zweiten Wert am deutlichsten unterscheidet. Bei- spiele für derartige Kenngrößen sind die Amplitude, der Spit- zenwert, der Effektivwert oder der Scheitelfaktor des jewei- ligen Zeitverlaufs sowie die Amplitude in einem oder in meh- reren Frequenzbändern des Spektrums oder die spektrale Leis- tungsdichte. Der Scheitelfaktor wird dabei als das Verhältnis des Spitzenwerts zum Effektivwert berechnet. Die Kenngröße kann selbstverständlich ebenso durch eine Verknüpfung, bei- spielsweise durch Fuzzy Logik oder ein neuronales Netz, der genannten oder anderer geeigneter Größen ermittelt werden.

Das Diagnosesystem ist vorzugsweise als integraler Bestand- teil des Stellungsreglers ausgebildet, so dass die Diagnose des Ventils über die Datenschnittstelle des Stellungsreglers veranlasst und das Ergebnis der Diagnose als Fehlermeldesig- nal in Form einer Gut-oder Schlechtaussage über diese Daten- schnittstelle ausgegeben werden kann. Selbstverständlich ist auch eine Anzeige über Meldelampen, beispielsweise Grün für "keine Leckage detektiert", Gelb für"keine Diagnose einer Leckage möglich"und Rot für"Leckströmung detektiert", di- rekt am Stellungsregler möglich.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen : Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Regelventils mit einem Diagnosesystem und Figur 2 Beispiele verschiedener Schallspektren.

In einer Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten pro- zesstechnischen Anlage ist gemäß Figur 1 ein Ventil 2 einge- baut, das durch einen entsprechenden Hub eines mit einem Ven- tilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörpers 4 den Durchfluss

eines Mediums 5 steuert. Der Hub wird durch einen pneumati- schen Antrieb 6 erzeugt und mittels einer Ventilstange 7 auf den Schließkörper 4 übertragen. Der Antrieb 6 ist über ein Joch 8 mit dem Gehäuse des Ventils verbunden. An dem Joch 8 ist ein Stellungsregler 9 mit einer Regeleinheit 18 ange- bracht, die eingangsseitig über ein an der Ventilstange 7 angreifendes Verbindungsstück 10 den Hub erfasst, diesen mit einem über eine Datenschnittstelle 11 von einem Feldbus zuge- führten Sollwert vergleicht und ausgangsseitig den pneumati- schen Antrieb 6 im Sinne einer Ausregelung der Regeldifferenz steuert. An dem Gehäuse des Ventils 2 ist ein Aufnehmer 12 für Körperschall angebracht, dessen Signal 13 als Messsignal einer Einrichtung 14 zur Auswertung des aufgenommenen Mess- signals 13 zugeführt wird. Diese Einrichtung 14 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel Bestandteil des Stellungsreg- lers 9, kann aber alternativ von diesem getrennt ausgebildet sein. Die Einrichtung 14 enthält eine Signalaufbereitungs- schaltung 15, in der das Messsignal 13 des Schallaufnehmers 12 verstärkt, gefiltert und digitalisiert wird. In einer nachgeordneten Recheneinheit 16 wird aus dem aufbereiteten Signal 13 beispielsweise durch eine Fast-Fourier-Transfor- mation zusätzlich das Frequenzspektrum ermittelt. Dieses kann je nach Anforderung in einem Speicher 17 abgespeichert oder weiter ausgewertet werden, um Informationen über den Zustand des Ventils 2 zu erhalten. Die Diagnose des Ventils wird periodisch ausgeführt oder über die Datenschnittstelle 11 veranlasst, über die auch das Ergebnis der Diagnose abfragbar ist.

Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel können ein- zelne Funktionen der Auswertung aus der Einrichtung 14 in einen an den Feldbus angeschlossenen Personal Computer aus- gelagert und ein digitalisiertes Messsignal oder Kenngrößen des Messsignals beschreibende Daten an diesen über die Daten- schnittstelle 11 übertragen werden.

Bei einer Kalibrierung wird das Ventil 2 durch den Stellungs- regler 9 geschlossen. Bei vollständig geschlossenem Ventil wird ein Verlauf des Messsignals 13 aufgenommen und anhand des Verlaufs des Messsignals 13 ein erster Wert wl bestimmt, wie im Folgenden anhand Figur 2 verdeutlicht. Auf der Ab- szisse des in Figur 2 dargestellten Diagramms ist die Fre- quenz, auf der Ordinate die spektrale Leistungsdichte aufge- tragen. Es handelt sich um eine lediglich qualitative Dar- stellung, in welcher auf Maßstabsangaben verzichtet wurde.

Der Wert wl entspricht hier dem Scheitelwert eines spektralen Verlaufs sl der Leistungsdichte des Grundschalls in einem Frequenzband zwischen Grenzfrequenzen A und B, der mittels Fast-Fourier-Transformation aus dem aufgenommenen Verlauf des Messsignals berechnet wurde. Der Scheitelwert der Leistungs- dichte in einem durch die Frequenzen A und B begrenzten Fre- quenzband wird somit in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kenngröße verwendet. Der bei der Kalibrierung aufgenommene Verlauf des Messsignals wird abgespeichert, damit im späteren Betrieb alternativ zu dieser Kenngröße Werte anderer Kenn- größen ermittelbar und zur weiteren Diagnose auswertbar sind, bezüglich deren sich im Betrieb aufgenommene Verläufe deut- licher von dem bei der Kalibrierung aufgenommenen Verlauf unterscheiden. Im späteren Betrieb des Ventils werden mehrere Verläufe des Messsignals bei einem vorzugsweise langsamen Schließvorgang aufgenommen und abgespeichert. Erfolgt dieser Schließvorgang langsam genug und werden die Messungen aus- reichend häufig vorgenommen, so können Verläufe bei sehr kleinen Ventilöffnungen erfasst werden. Anhand der abgespei- cherten Verläufe des Messsignals werden zu den verschiedenen Abschnitten des Ventilstellbereichs jeweils Werte der Kenn- größe, im gezeigten Ausführungsbeispiel Werte des Scheitel- werts der spektralen Leistungsdichte im Frequenzband zwi- schen den Grenzfrequenzen A und B, ermittelt. Für eine wei- tergehende Auswertung zur Ventildiagnose wird derjenige Wert der weiteren Werte als zweiter Wert der Kenngröße ausgewählt, der sich vom ersten Wert am deutlichsten unterscheidet. In Figur 2 sind der zugehörige spektrale Verlauf s2 und der Wert

w2 der Kenngröße eingezeichnet. Der Verlauf s2 stellt das Spektrum eines simulierten Leckageschalls dar. Liegt der zweite Wert w2 wenigstens um z. B. den Faktor 1,5 über dem ersten Wert wl, so wird festgestellt, dass unter den herr- schenden Betriebsbedingungen eine Leckagedetektion des Ven- tils möglich ist. Würde die Abweichung des ersten Werts wl vom zweiten Wert w2 weniger als die Hälfte des Werts wl betragen, so würde ein Meldesignal zur Anzeige erzeugt, das unter den herrschenden Betriebsbedingungen keine Diagnose einer Leckage möglich ist. In dem beschriebenen Beispiel wurde somit ein erster Schwellwert als die Hälfte des ersten Werts wl vorgegeben.

Alternativ zur beschriebenen Ermittlung des zweiten Werts der Kenngröße anhand mehrerer weiterer Werte kann selbstver- ständlich auch der zweite Wert direkt aus einem Verlauf des Messsignals ermittelt werden, der unmittelbar bei einer Ven- tilstellung mit einem derart kleinen Spalt aufgenommen wurde, dass er einem kleinen Leck des Ventils entspricht.

In Abhängigkeit des ersten Werts wl und des zweiten Werts w2 kann nun ein zweiter Schwellwert bestimmt werden, durch wel- chen festgelegt wird, ab wann bei geschlossener Ventilstel- lung auf das Vorliegen einer Leckage geschlossen werden soll.

Das Ventil wird entweder, weil es durch den Prozess gefordert wird, oder lediglich zu Diagnosezwecken im Betrieb der pro- zesstechnischen Anlage geschlossen. Dabei wird ein dritter Verlauf des Messsignals mit einem spektralen Verlauf s3 der Leistungsdichte aufgenommen. Daraus wird ein dritter Wert w3 der Kenngröße ermittelt. Da die Abweichung des dritten Werts w3 vom ersten Wert wl den zweiten Schwellwert, beispielsweise das 0,2fache des ersten Werts wl, übersteigt, wird bei dem anhand Figur 2 verdeutlichten Beispiel das Vorliegen einer Leckage des Ventils festgestellt und über die Datenschnitt- stelle 11 (Figur 1) ein Fehlersignal ausgegeben, das in einer übergeordneten Prozesssteuerung beispielsweise zur Anzeige eines Wartungsbedarfs verarbeitet wird.

Alternativ zu diesem Ausführungsbeispiel kann die Einrichtung 14 auch derart ausgebildet werden, dass zur Diagnose dieje- nige Kenngröße aus einer vorgegebenen Menge von Kenngrößen ausgewählt wird, deren erster Wert sich von zumindest einem der weiteren Werte am deutlichsten unterscheidet. Als Bei- spiele für Kenngrößen seien die Amplitude, der Spitzenwert, der Effektivwert oder der Scheitelfaktor des Messsignalver- laufs genannt. Weitere Beispiele sind die bereits angeführte Leistungsdichte in verschiedenen Frequenzbändern oder die Amplitude spektraler Signalanteile.

, Eine weitere Alternative ist darin zu sehen, dass bei der Kalibrierung die Verläufe des Messsignals in verschiedenen Abschnitten des Ventilstellbereichs während eines Öffnungs- vorgangs oder während eines kombinierten Schließ-und Öff- nungsvorgangs aufgenommen werden. Die Reihenfolge der Auf- nahme des zweiten und dritten Verlaufs und der weiteren Ver- läufe des Messsignals kann beliebig gewählt werden. Der Gebrauch des Zahlwortes dient lediglich zur klareren Bezeich- nung.