Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von ausgangsseitigen Leckagen bei einem Doppelkegel-Luftleistungsverstärker, sowie entsprechende Systeme und/oder Vorrich tungen. Die vorgenannten Luftleistungsverstärker werden vielfach zur geregelten Druckluftver sorgung pneumatischer Antriebe von Prozess-Stellventilen, oder auch anderer Druckluft-Ver braucher, genutzt.

An solche Stellventile werden immer höhere Anforderungen bezüglich ihrer Fähigkeiten, Veränderungen und insbesondere Verschlechterungen ihrer Betriebszustände zu erkennen, ge stellt. Dazu zählen beispielsweise auch Hinweise auf Leckagen im Pneumatiksystem. Diese können auf längere Sicht nämlich erhebliche Kosten verursachen und sogar die Sicherheit be einträchtigen, da z.B. bestimmte Ventilpositionen ggf. nicht mehr angefahren werden können. Auch können sie zu erhöhter Geräuschentwicklung führen.

Stand der Technik

Ein elektropneumatisches Steuerungssystem, das eine sekundäre pneumatische Leis tungsstufe umfasst, ist beispielsweise in EP 1 769 159 B1 dargestellt. Dabei kommt z.B. ein Doppelkegel-Luftleistungsverstärker zum Einsatz. Diagnosemöglichkeiten, welche das Druck luftsystem und insbesondere Leckagen desselben betreffen, sind nicht vorgesehen.

Ein pneumatischer Verstärker, der als Doppelkegel-Luftleistungsverstärker ausgebildet ist, wird beispielsweise in der Veröffentlichung DE 37 41 364 A1 beschrieben. Auch hier sind keine Diagnosemöglichkeiten beschrieben. Aus der Veröffentlichung WO 2018/035181 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Prüfen pneumatischer Signalverstärker während des laufenden Betriebs bekannt. Hierdurch können beispielsweise Aussagen über die grundsätzliche Funktionsfähigkeit dieser Geräte ge wonnen werden. Aussagen über Leckagen im Druckluftsystem können durch die dort geschil derten Verfahren bzw. Vorrichtungen jedoch nicht gewonnen werden.

Ein Leckagedetektionssystem wird in US 4,157,656 A beschrieben. Dieses erfordert je doch den Einsatz zusätzlicher Geräte, die ihrerseits einen pneumatischen Verstärker benötigen, um das Ausgabesignal derart zu verstärken, dass es in möglichst eindeutiger Weise von nor malen Schwankungen unterschieden werden kann.

Die Druckschrift US 2003/0208305 A1 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose eines pneu matischen Regelkreises eines Stellventils. Dies beinhaltet das Erkennen von ausgangsseitigen Leckagen bei einem im Regelkreis angeordneten Luftleistungsverstärker. Zu diesem Zweck werden ein Steuersignal und der Ausgangsdruck des Luftleistungsverstärkers aufgenommen. Durch Vergleich mit einem berechneten Massenfluss wird ggf. auf eine Leckage geschlossen.

Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst unkompliziertes Verfahren sowie System an zugeben, das Leckagen bei nachgeschalteten Verbrauchern eines Doppelkegel-Luftleistungs verstärkers erkennt.

Lösung

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteil hafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umge kehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.

Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte werden in einer bevorzugten Variante der Erfindung in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Die Schritte müssen aber nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufwei sen. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Erkennen von ausgangsseitigen Lecka gen bei einem Doppelkegel-Luftleistungsverstärker vorgeschlagen. Das Verfahren weist die fol genden Schritte auf: Initial wird eine Referenzkurve aufgenommen, die eine Eingangsgröße mit einer Ausgangsgröße in Relation setzt. Die Eingangsgröße ist eine Größe, die einen Ausgangs druck des Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers steuert, z.B. der Steuerdruck des Luftleistungs verstärkers, oder auch eine Stromstärke, falls ein I/P-Wandler vorgeschaltet ist. Die Ausgangs größe ist der Ausgangsdruck des Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers oder eine von dem Aus gangsdruck gesteuerte oder abgeleitete Größe, z.B. die Position des Ventilglieds, wenn der Luftleistungsverstärker einen pneumatischen Ventilantrieb mit Druckluft versorgt.

Im laufenden Betrieb wird dann mindestens ein stationärer Zustand ermittelt. Dabei wer den nur stationäre Zustände betrachtet, denen ein Absinken des Ausgangsdrucks des Doppel- kegel-Luftleistungsverstärkers vorausgegangen ist. Der Luftleistungsverstärker und/oder ihm ggf. vorgeschaltete Elemente befinden sich somit noch im Abluftbetrieb. Werte der Eingangs größe und der Ausgangsgröße, die zu dem stationären Zustand gehören, werden ermittelt und mit der Referenzkurve verglichen. Wenn der zur ermittelten Ausgangsgröße korrespondierende Ausgangsdruck um eine vorgegebene Toleranz kleiner ist als der gemäß der Referenzkurve für die ermittelte Eingangsgröße zu erwartende Ausgangsdruck, wird eine ausgangsseitige Le ckage festgestellt. Dies ist äquivalent dazu, dass zu dem Ausgangsdruck, der zu einer ermittel ten Ausgangsgröße korrespondiert, eine Eingangsgröße ermittelt wird, die um eine äquivalente vorgegebene Toleranz höher liegt, als gemäß der Referenzkurve zu erwarten wäre.

Unter ausgangsseitigen Leckagen sind dabei Leckagen auf der Ausgangsseite des Luft leistungsverstärkers zu verstehen, das heißt Leckagen in nachgelagerten bzw. nachgeschalte ten bzw. stromabwärts gelegenen Leitungen bzw. Druckluft-Verbrauchern.

Mit diesem Verfahren lassen sich ausgangsseitige Leckagen bei einem Doppelkegel-Luft- leistungsverstärker in unkomplizierter Weise, insbesondere ohne zusätzliche Komponenten, er mitteln. Dadurch können frühzeitig Hinweise zu einer ggf. notwendigen Wartung erhalten wer den, wodurch Kosten für zu spät erkannte Wartungserfordernisse gespart werden können.

Werden etwaige Leckagen frühzeitig erkannt, reduzieren sich zusätzlich die Kosten für die Drucklufterzeugung. Extrem wichtig ist auch zu erkennen, ob bestimmte Ventilstellungen auf grund des Druckverlusts infolge der Leckage nicht mehr angefahren werden können. Die Kon sequenzen können sicherheitsrelevant sein oder das Endprodukt beeinträchtigen. Dies kann mit dem beschriebenen Verfahren verhindert oder frühzeitig erkannt werden.

Ein aussagekräftigeres Ergebnis wird dadurch erreicht, dass eine Mehrzahl von stationä ren Zuständen ermittelt wird. Für jeden dieser Mehrzahl von stationären Zuständen werden Werte der Eingangsgröße und der Ausgangsgröße, die zu dem stationären Zustand gehören, ermittelt. Alle diese ermittelten Werte werden mit der Referenzkurve verglichen. Dies kann ver hindern, dass sogenannte „Ausreißer“ irrtümliche Leckage-Meldungen verursachen.

Die Sicherheit der Leckage-Erkennung wird erhöht, wenn eine ausgangsseitige Leckage dann festgestellt wird, wenn während einer vorgegebenen Messzeit alle zu den ermittelten Aus gangsgrößen korrespondierenden Ausgangsdrücke um eine vorgegebene Toleranz kleiner sind als die gemäß der Referenzkurve für die ermittelten Eingangsgrößen zu erwartenden Ausgangs drücke. Dies sorgt dafür, dass keine Leckage festgestellt wird, wenn mindestens ein während der vorgegebenen Messzeit ermittelter Wert innerhalb der Toleranz mit der Referenzkurve über einstimmt. Irrtümliche Meldungen werden auf diese Weise deutlich seltener.

Die Sicherheit der Leckage-Erkennung wird ebenso erhöht, wenn eine ausgangsseitige Leckage dann festgestellt wird, wenn für eine vorgegebene Anzahl zuletzt ermittelter Ausgangs größen die zu den ermittelten Ausgangsgrößen korrespondierenden Ausgangsdrücke um eine vorgegebene Toleranz kleiner sind als die gemäß der Referenzkurve für die ermittelten Ein gangsgrößen zu erwartenden Ausgangsdrücke. Auch auf diese Weise lassen sich irrtümliche Meldungen effektiv unterdrücken. Diese Vorgehensweise ist zu bevorzugen, wenn aufgrund der Betriebssituation geeignete stationäre Zustände nur kurz andauern. Dann könnte nicht immer gewährleistet werden, dass eine für eine ordentliche Statistik ausreichende Anzahl von Werten in einer vorgegebenen Messzeit ermittelt werden kann, so dass es vorteilhafter ist, die Anzahl dieser Werte vorzugeben und nicht die Zeit, in der sie ermittelt werden.

Zur weiteren Auswertung und Dokumentation ist es von Vorteil, wenn das Verfahren den weiteren Schritt des Erstellens eines Datenträgers (flüchtig oder permanent), auf dem die ermit telten Werte und/oder Ergebnisse und/oder die Referenzkurve gespeichert sind, aufweist.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung, welche eingerichtet ist, das Ver fahren, wie es bereits beschrieben wurde, durchzuführen.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein System zum Erkennen von ausgangsseiti gen Leckagen bei einem Doppelkegel-Luftleistungsverstärker. Dieses System umfasst einen Doppelkegel-Luftleistungsverstärker und eine Steuerung und/oder Regelung zum Steuern und/oder Regeln einer Eingangsgröße des Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers, wobei die Ein gangsgröße eine Größe ist, die einen Ausgangsdruck des Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers steuert. Das System hat ferner Mittel zum Ermitteln eines stationären Zustands und Mittel zum Aufnehmen der Eingangsgröße und einer Ausgangsgröße, wobei die Ausgangsgröße der Aus- gangsdruck des Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers oder eine von dem Ausgangsdruck ge steuerte oder abgeleitete Größe ist. Das System hat außerdem Mittel zum Aufnehmen einer Referenzkurve, die die Eingangsgröße mit der Ausgangsgröße in Relation setzt, Mittel zum Ver gleichen aufgenommener Werte mit der Referenzkurve sowie Mittel, die eingerichtet sind, die Schritte eines Verfahrens, wie es weiter oben beschrieben wurde, auszuführen.

Wenn das System einen I/P-Wandler umfasst, kann die Eingangsgröße eine elektrische Stromstärke sein, was in Bezug auf die Steuerung und/oder Regelung des Doppelkegel-Luft- leistungsverstärkers sowie die Erfassung und Auswertung der Daten vorteilhaft ist. Der l/P- Wandler stellt einen Steuerdruck für den Doppelkegel-Luftleistungsverstärker bereit. Die Ein gangsgröße ist dabei die durch den I/P-Wandler fließende Stromstärke.

Besonders günstig ist es, wenn bei dem vorgenannten System der I/P-Wandler nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip aufgebaut ist. Ein solcher I/P-Wandler weist aufgrund seiner elektro magnetischen Komponenten ein Hysterese-Verhalten auf. Dieses Verhalten überlagert sich mit dem hystereseartigen Verhalten des Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers beim Übergang zwi schen Zuluft- und Abluftbetrieb, wodurch die Form der Referenzkurve bzw. Kennlinie ausge prägter ausfällt. Insbesondere unterscheiden sich Zuluft- und Abluft-Kurve stärker.

Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch einen Stellungsregler für ein pneumatisch angetriebenes Stellventil mit einem System, wie es oben beschrieben wurde.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein pneumatisch angetriebenes Stellventil mit einem vorgenannten Stellungsregler, und auch durch eine prozesstechnische Anlage mit min destens einem vorgenannten pneumatisch angetriebenen Stellventil.

Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Computerprogramm, z.B. als Teil einer sog. Firmware, umfassend Befehle, die bewirken, dass die oben genannte Vorrichtung oder das oben beschriebene System oder der oben genannte Stellungsregler die weiter oben beschrie benen Verfahrensschritte ausführt.

Die Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein computerlesbares Medium, auf dem das vorgenannte Computerprogramm gespeichert ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf das Ausführungsbeispiel be schränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischen werte und alle denkbaren Teilintervalle.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch einen Doppelkegel-Luftleistungsverstär- ker mit Zusatzfeder im Haltebetrieb (Stand der Technik);

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch einen Doppelkegel-Luftleistungsverstär- ker ohne Zusatzfeder im Zuluftbetrieb (Stand der Technik);

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch einen Doppelkegel-Luftleistungsverstär- ker ohne Zusatzfeder im Abluftbetrieb (Stand der Technik);

Fig. 4 eine Darstellung des Druckverlaufs und des Leckagestroms bei einer Testfunk tion bei verschiedenen Leckagen;

Fig. 5 I-P-Kennlinien eines Luftleistungsverstärkers mit vorgeschaltetem I/P-Wandler bei verschiedenen Leckagen;

Fig. 6A einen zeitlichen Verlauf des Ausgangsdrucks während einer simulierten Betriebs situation;

Fig. 6B den zugehörigen zeitlichen Verlauf der Ableitung des Ausgangsdrucks; und Fig. 7 ermittelte stationärer Zustände im Vergleich zu den I-P-Kennlinien aus Fig. 5.

Zunächst soll anhand der Figuren 1 bis 3 die Funktionsweise eines Doppelkegel-Luftleis tungsverstärkers erklärt werden. Hierbei handelt es sich um Stand der Technik, der nicht bean spruchtwird, aber zum besseren Verständnis erläutert werden muss.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers 100. Dieser hat einen Steuereingang 105 für den Steuerdruck P _st , einen Zulufteingang 110, der mit Druckluft mit dem Druck P _z versorgt wird, einen Entlüftungsausgang 115, der zur Umgebung hin offen ist, und einen Ausgang 120 für Druckluft mit dem gewünschten Ausgangsdruck P _a .

Zwischen dem Steuereingang 105 und dem Entlüftungsausgang 115 befindet sich eine erste Membran 125 mit der Wirkfläche A ₀ , und zwischen dem Entlüftungsausgang 115 und dem Ausgang 120 befindet sich eine zweite Membran 130 mit der Wirkfläche A _u . Die Wirkfläche der jeweiligen Membran wird ungefähr durch die Mitte der Wülste der Membran begrenzt. Diese beiden Membranen sind durch einen Steuerkörper 135 verbunden, so dass sie sich gemeinsam bewegen. Der Steuerkörper 135 enthält in seiner Mitte den Abluftsitz 140, der durch den Abluft kegel 145 verschlossen bzw. freigegeben wird.

Zwischen Zulufteingang 110 und Ausgang 120 befindet sich der Zuluftsitz 150 mit der Querschnittsfläche A _z , der durch den Zuluftkegel 155 verschlossen bzw. freigegeben wird. Zu luft- und Abluftkegel 155, 145 sind fest miteinander verbunden, so dass sie sich stets gemein sam bewegen, und bilden zusammen den Doppelkegel 160. Dieser kann mittels einer Zusatz feder 165 vorgespannt sein, dies ist aber nicht unbedingt erforderlich.

Außerdem ist noch eine Offsetfeder 170 vorhanden, welche den Steuerkörper 135 und die beiden Membranen 125, 130 in Fig. 1 nach oben drückt und dafür sorgt, dass der Luftleis tungsverstärker erst ab einem gewissen minimalen Steuerdruck, der die Kraft der Offsetfeder 170 überwindet, zu arbeiten beginnt. Die Offsetfeder 170 unterstützt auch ein sicheres Entlüften für den Fall, dass das Vorsteuersystem, welches den Steuerdruck liefert, nicht vollständig ent lüften kann (dies istz.B. bei konventionellen Düse-Prallplatte IP-Wandlern häufig der Fall). Fer ner ist noch die untere Wirkfläche 175 des Doppelkegels zu erkennen. Deren Bedeutung wird weiter unten erläutert.

In Fig. 1 ist der Luftleistungsverstärker im Haltebetrieb dargestellt. Das bedeutet, dass Steuerdruck P _st und Ausgangsdruck P _a genau so groß sind, dass die erste und zweite Membran 125, 130 sowie der sie verbindende Steuerkörper 135 sich in einer mittleren Position befinden, in der sowohl der Zuluftsitz 150 als auch der Abluftsitz 140 durch den Doppelkegel 160 ver schlossen sind. Deshalb liegt keine Fluidverbindung zwischen dem Ausgang 120 und dem Zu lufteingang 110 oder dem Entlüftungsausgang 115 vor, so dass der Ausgangsdruck P _a gehalten wird. In der Praxis ist dieser Zustand (Haltebetrieb) selten von Bedeutung, da pneumatische Verbraucher immer eine gewisse Grundleckage aufweisen und ein geregelter Luftleistungsver stärker somit zum Halten eines Zustands des Verbrauchers auf Dauer in den Zuluftbetrieb ge hen muss.

In Fig. 2 ist ein Doppelkegel-Luftleistungsverstärker 200 dargestellt, der sich von dem aus Fig. 1 lediglich durch das Fehlen der Zusatzfeder 165 unterscheidet. In Fig. 2 befindet sich der Luftleistungsverstärker im Zuluftbetrieb. Der Steuerdruck P _st ist erhöht, der Ausgangsdruck P _a aber noch nicht, weshalb die beiden Membranen 125, 130 sowie der Steuerkörper 135 nach unten gedrückt werden. Deshalb bleibt der Abluftsitz 140 durch den Abluftkegel 145 verschlos sen, der Zuluftkegel 155 wird aber nach unten aus dem Zuluftsitz 150 gedrückt, so dass Druck luft vom Zulufteingang 110 nachströmen kann und den Ausgangsdruck P _a am Ausgang 120 erhöht.

Fig. 3 zeigt denselben Doppelkegel-Luftleistungsverstärker 200 wie Fig. 2, allerdings im Abluftbetrieb. Der Steuerdruck P _st ist abgesenkt, so dass die Offsetfeder 170 und der Ausgangs druck P _a , unter dem sich die Druckluft im Verbraucher befindet, die beiden Membranen 125, 130 und den Steuerkörper 135 nach oben drücken. Deshalb wird der Zuluftsitz 150 durch den Zuluftkegel 155 verschlossen, der Abluftsitz 140 durch den Abluftkegel 145 aber freigegeben, da der Abluftsitz 140 mit angehoben wird, der Abluftkegel 145 als Teil des Doppelkegels 160 aber nicht folgen kann, da er mit dem Zuluftkegel 155 verbunden ist. In der Folge entweicht Druckluft aus dem Verbraucher durch den Abluftausgang 115, so dass der am Ausgang 120 anliegende Ausgangsdruck P _a sinkt.

Durch Variation des Steuerdrucks P _st kann der Ausgangsdruck P _a auf jeden beliebigen Wert zwischen dem Umgebungsdruck und dem Zuluftdruck P _z gebracht werden.

Im ausgeregelten Zustand des Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers gilt für den Steuer körper 135 ein Kräftegleichgewicht. Ohne Berücksichtigung weiterer Kräfte gilt:

P st ^* Ao ⁼ Pa ^* A _u

Für eine genauere Beschreibung muss zusätzlich die Kraft F _z einer Zusatzfeder (falls vor handen) sowie die effektive Kraft auf die untere Wirkfläche des Doppelkegels 160 A _z , welche dem Querschnitt des Zuluftsitzes 150 entspricht, berücksichtigt werden, allerdings nur im Zu luftbetrieb. Im Abluftbetrieb stützen sich diese Kräfte über den Zuluftsitz 150 auf das Gehäuse ab und werden von diesem aufgenommen. Die Kraft F _0ffSet der Offsetfeder 170 muss hingegen immer berücksichtigt werden. Es ergeben sich folglich unterschiedliche Kräftegleichgewichte für den Zuluft- und den Abluftbetrieb:

Zuluftbetrieb: P _a ^* A _u + F _{0ffSe t} + P _Z ^* A _Z + F _z = P _st ^* A ₀

Abluftbetrieb: P _a ^* A _u + F _{0ffSe t} = Pst ^* A ₀

Dabei werden die Federkräfte F _z und F _0ffSet in erster Näherung als konstant angenommen, da sich der Doppelkegel 160 und der Steuerkörper 135 typischerweise nur über geringe Distan zen bewegen.

Für den Ausgangsdruck gilt somit: im Zuluftbetrieb: im Abluftbetrieb:

Bei gleichem Steuerdruck ist der Ausgangsdruck im Zuluftbetrieb also gegenüber dem Abluftbetrieb vermindert. Die Minderung hängt vom Querschnitt A _z des Zuluftsitzes 150, der Stärke der Zusatzfeder und vom Zuluftdruck P _z ab. Nimmt man für die Abhängigkeit des Aus gangsdrucks P _a vom Steuerdruck P _st eine Kennlinie auf, ergibt sich somit ein hystereseartiger Verlauf.

Um eine solche Kennlinie zu erhalten, kann eine Testfunktion mit einem Verlauf, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, verwendet werden. Mit der Steuerung wird eine langsame Aufwärts-Rampe der Eingangsgröße gefahren, und nach einer gewissen Zeit wird eine ebenso langsame Ab- wärts-Rampe gefahren. Im oberen Bereich von Fig. 4 ist das zugehörige Verhalten des Aus gangsdrucks zu erkennen. Die dicke Linie 410 zeigt das Referenzverhalten ohne Leckage, wäh rend die dünne Linie 420 das Verhalten bei einer starken Leckage (typischer Leckagestrom einige hundert nL/h - nL sind Normliter) wiedergibt. Bei einer vergleichsweise geringfügigen Leckage von z.B. unter 50 nL/h ergibt sich hingegen eine Kurve, die in dieser Darstellung vom Referenzverhalten nicht zu unterscheiden ist. Es zeigt sich, dass sich das Verhalten im Wesent lichen bei der Abwärts-Rampe unterscheidet. Im unteren Bereich von Fig. 4 sind die zugehöri gen Leckageströme Qi_ _eck für eine starke Leckage (Kurve 430) sowie für eine geringfügige Le ckage (Kurve 440) aufgetragen.

Fig. 5 zeigt entsprechende Kennlinien eines Doppelkegel-Luftleistungsverstärkers, vor zugsweise mit vorgeschaltetem I/P-Wandler nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip. Dies entspricht der Konfiguration, wie sie z.B. zur Druckluftsteuerung eines Stellventils mit pneumatischen An trieb in der Praxis vielfach verwendet wird. Als Eingangsgröße wird hierbei der Strom des l/P- Wandlers betrachtet, als Ausgangsgröße dient der Ausgangsdruck des Luftleistungsverstär kers. Die Eingangsgröße / ist in dieser Darstellung auf der y-Achse in % aufgetragen, die Aus gangsgröße P _a auf der x-Achse in bar. Sowohl der Doppelkegel-Luftleistungsverstärker als auch der I/P-Wandler zeigen ein hystereseartiges Verhalten, was in der Zusammenschau den Verlauf der dick dargestellten Referenzkurve ergibt. Dabei entspricht der obere bzw. linke Ast dem Zu luftbetrieb, der untere bzw. rechte Ast hingegen dem Abluftbetrieb. Wie bereits erklärt, ist der Ausgangsdruck im Zuluftbetrieb bei gleicher Stromstärke gegenüber dem Abluftbetrieb vermin dert. Das Verhalten bei einer geringen Leckage unterscheidet sich nur geringfügig von der Re ferenzkurve. Bei einer größeren Leckage hingegen verschiebt sich der gesamte Ast für den Abluftbetrieb nach oben bzw. nach links, was bedeutet, dass bei vorgegebener Stromstärke der Druck gegenüber dem Referenzverlauf abgesenkt ist. Das vorliegende Verfahren macht sich diese Verhaltensänderungen zu nutze. Dabei wird initial eine solche Referenzkurve aufgenom men und abgespeichert.

Im laufenden Betrieb werden dann stationäre Zustände ermittelt, also Zustände, bei denen sowohl die Eingangsgröße als auch die Ausgangsgröße innerhalb einer vorgegebenen Zeit spanne sich maximal um eine vorgegebene Toleranz ändern, z.B. innerhalb von 5 Sekunden nur um maximal 10 mbar.

Wird ein solcher stationärer Zustand (auch als Arbeitspunkt bezeichnet) erkannt, erfolgt eine genauere Untersuchung. Dabei wird überprüft, ob der Arbeitspunkt durch einen Belüften- oder Entlüften-Vorgang erreicht wurde. Für die vorgesehene Leckage-Erkennung sind, wie be reits erklärt wurde, nur stationäre Zustände von Interesse, die durch Entlüften erreicht wurden, bei denen sich der Doppelkegel-Luftleistungsverstärker also im Abluftbetrieb befindet. Zu die sem Zweck wird die Druckveränderungsrate, d.h. die erste zeitliche Ableitung des Ausgangs drucks, betrachtet und beispielsweise mit einem Toleranzband versehen. Als Toleranzband kommt beispielsweise ein Intervall von +/-0.02 bar/s in Frage.

Dies ist für eine simulierte Betriebssituation in Figs. 6A und 6B dargestellt: Fig. 6A zeigt den zeitlichen Verlauf des Ausgangsdrucks, Fig. 6B den zugehörigen zeitlichen Verlauf der ers ten zeitlichen Ableitung des Ausgangsdrucks mit dem genannten Toleranzband.

In Fig. 6A sind die erkannten stationären Zustände durch diagonale Kreuze gekennzeich net. Wenn ein stationärer Zustand in Folge eines Durchdringens des Toleranzbandes in Fig. 6B von oben vorliegt, wurde dieser durch Belüften erreicht und wird somit nicht weiter berücksich tigt. Wenn ein stationärer Zustand hingegen in Folge eines Durchdringens des Toleranzbandes von unten vorliegt (also die Ableitung unmittelbar vorher negativ war), wurde dieser durch Ent lüften erreicht.

Diese Arbeitspunkte werden weiter berücksichtigt und sind in Fig. 6A durch Kreise ge kennzeichnet. In Fig. 6B ist zu erkennen, dass - zumindest in diesem simulierten Beispiel - auf größere Änderungen bzw. Sprünge häufig eine kleine Korrektur folgt, und dass oft erst direkt nach dieser Korrektur für kurze Zeit geeignete Arbeitspunkte vorliegen.

In Fig. 7 ist zu erkennen, wie ermittelte Werte der Eingangs- und Ausgangsgröße, also z.B. der Stromstärke des I/P-Wandlers und des Ausgangsdrucks des Doppelkegel-Luftleis tungsverstärkers, die zu den wie beschrieben bestimmten stationären Zuständen gehören, mit der Referenzkurve verglichen werden. Dazu wird eine vorgegebene Toleranzgrenze herange zogen, die in Fig. 7 als fett-gestrichelte Linie dargestellt ist. Diese Toleranzgrenze könnte bei spielsweise auf halbem Wege zwischen der Referenzkurve und einem erwarteten Kennlinien verlauf bei einer Leckage, die als gerade nicht mehr akzeptabel eingestuft wird, liegen. Ermit telte Werte, die links von dieser T oleranzgrenze (bzw. äquivalent dazu oberhalb) liegen, deuten auf eine signifikante Leckage hin, da bei diesen Arbeitspunkten zu einer vorgegebenen Strom stärke ein niedrigerer Ausgangsdruck vorliegt, als gemäß der Referenzkurve zu erwarten wäre. Bei Arbeitspunkten, deren zugehörige ermittelte Werte unterhalb bzw. rechts von dieser Tole ranzgrenze liegen, kann hingegen keine Leckage erkannt werden. Um statistische Schwankungen und sonstige Störungen auszugleichen und häufige Fehl alarme bzw. irrtümliche Diagnosen zu vermeiden, wird sinnvollerweise eine größere Menge von Arbeitspunkten betrachtet, und eine konservative Bedingung für die Leckageerkennung ge wählt. Bei einem typischen Beispiel können die letzten 30 Arbeitspunkte betrachtet werden. Eine Leckage würde vorzugsweise nur dann erkannt, wenn bei diesen Arbeitspunkten die ermittelten Werte alle ohne Ausnahme oberhalb bzw. links von der Toleranzgrenze liegen.

Glossar

I/P-Wandler

I/P-Wandler sind elektrisch-pneumatische Umformer, die in Abhängigkeit von der Strom stärke eines elektrischen Eingangssignals einen Ausgangsluftdruck erzeugen.

I/P-Wandler nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip

I/P-Wandler nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip werden beispielsweise in der Druckschrift DE 19818336 C1 detailliert beschrieben. Ein solcher Umformer bzw. Wandler weist eine Spule, ein Magnetjoch und einen als Prallplatte ausgebildeten drehbeweglichen Anker auf. Durch die Prallplatte kann eine Auslassdüse verschlossen und wieder freigegeben werden, wobei dies abhängig von dem resultierenden Drehmoment aufgrund der die Prallplatte abstoßenden pneu matischen Kraft und der den Anker anziehenden magnetischen Kraft geschieht. Das System wird zudem mit Druckluft versorgt. Durch das Öffnen bzw. Verschließen der Auslassdüse in Abhängigkeit von der Stromstärke durch die Spule, die die magnetische Kraft bewirkt, wird ein Ausgangsluftdruck eingestellt, der der Stromstärke proportional ist.

Normliter

Das Normvolumen (insbesondere Normkubikmeter, Normliter usw.) ist eine in der Pneu matik, Verfahrens- und Gastechnik gebräuchliche Volumenmaßeinheit. Sie wird benutzt, um Gasmengen, die bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen vorliegen (Betriebszustand, Betriebsvolumen), zu vergleichen. Dazu werden die Gasmengen jeweils auf den gleichen Norm zustand umgerechnet, z.B. 0° C und 1 atm. (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Normvolumen)

Stationärer Zustand

Unter einem stationären Zustand wird hier ein Zustand des Doppelkegel-Luftleistungsver stärkers verstanden, bei dem sowohl die Eingangsgröße als auch die Ausgangsgröße innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne sich maximal um eine vorgegebene Toleranz ändern. Dabei ist die Eingangsgröße eine Größe, die einen Ausgangsdruck des Doppelkegel-Luftleistungsver stärkers steuert, z.B. der Steuerdruck des Luftleistungsverstärkers, oderauch eine Stromstärke, falls ein I/P-Wandler vorgeschaltet ist. Die Ausgangsgröße ist der Ausgangsdruck des Doppel- kegel-Luftleistungsverstärkers oder eine von dem Ausgangsdruck gesteuerte oder abgeleitete Größe, z.B. die Position des Ventilglieds, wenn der Luftleistungsverstärker einen pneumati schen Ventilantrieb mit Druckluft versorgt. Bezugszeichen , 200, 500 Doppelkegel-Luftleistungsverstärker Steuereingang Zulufteingang Entlüftungsausgang Ausgang erste Membran zweite Membran Steuerkörper Abluftsitz Abluftkegel Zuluftsitz Zuluftkegel Doppelkegel Zusatzfeder Offsetfeder Untere Wirkfläche des Doppelkegels Referenz-Ausgangsdruckkurve bei Testfunktion Ausgangsdruckkurve bei Testfunktion mit starker Leckage Leckagestrom kurve bei Testfunktion (starke Leckage) Leckagestrom kurve bei Testfunktion (geringe Leckage)

zitierte Literatur zitierte Patentliteratur

DE 3741 364 A1 DE 198 18336 C1 EP 1 769 159 B1 US 4, 157, 656 A US 2003/0208305 A1

WO 2018/035181 A1