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Dokumentenidentifikation DE3820838A1 04.01.1990
Titel Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb bewegbaren Armatur
Anmelder ABB Reaktor GmbH, 6800 Mannheim, DE
Erfinder Stöhr, Hans, Dipl.-Ing., 6800 Mannheim, DE;
Mehr, Lothar, 6840 Lampertheim, DE
Vertreter Rupprecht, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 6242 Kronberg
DE-Anmeldedatum 21.06.1988
DE-Aktenzeichen 3820838
Offenlegungstag 04.01.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.01.1990
IPC-Hauptklasse G01L 3/08
IPC-Nebenklasse G05D 17/02   G01L 23/18   
Zusammenfassung Zur Messung von Drehmomenten an Armaturen werden bisher Meßeinrichtungen verwendet, welche die zu übertragende Kraft mit Hilfe von Wegzellen messen, die mit Dehnungsmeßstreifen bestückt sind. Der konstruktive Aufbau und die daraus resultierende Baugröße ist nicht geeignet, diese Meßeinrichtung zwischen Armatur und Elektromotor permanent zu belassen, so daß diese Meßeinrichtungen nur zu periodischen Messungen einsetzbar sind. Es soll daher eine permanent eingebaute Einrichtung gefunden werden, die eine kontinuierliche Dehnungsmessung erlaubt. Dazu ist das Gehäuse (2) des Stellantriebes (3) und das Gehäuse (4) der Armatur (5) über eine Flanschbuchse (1) miteinander verbunden. Die Flanschbuchse trägt im Bereich einer Freidrehung (21) den Dehnungsmeßstreifen (23) und weist einen Freiraum zum Durchtritt der Armaturenspindel (20) auf. Während der Kraftfluß vom Stellantrieb (3) über einen Adapter (16) zu einer die Armaturenspindel verstellenden Gewindehülse (18) gelangt, wird die zwischen Stellantrieb und Armatur stationär angeordnete Flanschbuchse (1) einem Torsionsmoment ausgesetzt, das über den Dehnungsmeßstreifen (23) gemessen wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb bewegbaren Armatur unter Verwendung wenigstens eines Dehnungsmeßstreifens.

Zur Messung von Drehmomenten an Armaturen werden bisher Meßeinrichtungen verwendet, welche die zu übertragende Kraft mit Hilfe von Wägezellen messen, die mit Dehnungsmeßstreifen bestückt sind. Der konstruktive Aufbau und die daraus resultierende Baugröße ist nicht geeignet, diese Meßeinrichtung zwischen Armatur und Stellantrieb bzw. Elektromotor des Stellantriebes permanent zu belassen, so daß diese Meßeinrichtungen nur zu periodischen Messungen einsetzbar sind.

Ferner ist eine drehmomentabhängige Abschaltung zum Schutz der Armatur vor Überlast bekannt. Dabei ist die Schneckenwelle des Stellantriebes als Verschiebeschnecke ausgebildet, die über vorgespannte Tellerfedern mittig zum Schneckenrad gehalten ist. Tritt an der Antriebswelle ein Lastmoment auf, das größer ist als das durch die Vorspannung der Tellerfedern eingestellte Moment, drückt die Umfangskraft am Schneckenrad die Schneckenwelle aus ihrer Mittellage und betätigt über ein Hebelsystem den dazugehörigen Drehmomenttaster, der den Motor elektrisch abschaltet. Eine solche mechanische Steuereinheit ist aufwendig und wegen der Vielzahl mechanischer Übertragungselemente störanfällig.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die permanent eingebaut ist und eine kontinuierliche Drehmomentmessung erlaubt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Gehäuse des Stellantriebes und das Gehäuse der Armatur über eine Flanschbuchse miteinander verbunden sind, daß die Flanschbuchse den Dehnungsmeßstreifen trägt und einen Freiraum zum Durchtritt der Armaturenspindel aufweist.

Während der Kraftfluß vom Stellantrieb zu einer die Armaturenspindel verstellenden Gewindebüchse gelangt, wird die zwischen Stellantrieb und Armatur stationär angeordnete Flanschbuchse einem Torsionsmoment ausgesetzt, das über einen Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Durch die kontinuierliche Messung des Drehmomentes können mechanische Veränderungen in der Baueinheit Stellantrieb/Armatur durch den Vergleich von sich ändernden Drehmomentkurven bei gleichen Betriebszuständen frühzeitig erkannt werden. Eine vorbeugende Instandhaltung ist dadurch möglich, bevor der unvorhergesehene Ausfall große Schäden an einer technischen Anlage hervorrufen kann. Die Drehmomentmeßwerte werden unmittelbar zur Ansteuerung des Elektromotores des Stellantriebes verwendet, so daß ein aufwendiger mechanischer Drehmomentbegrenzer nicht erforderlich ist. Die Einrichtung läßt sich ferner zum Steuern von Verfahrensabläufen bei veränderlichen Betriebsparametern einsetzen. So kann beispielsweise bei einer Durchflußregelarmatur ein sich änderndes Drehmoment auf eine Viskositäts- oder Durchflußänderung hinweisen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist in einem Ringraum zwischen der Flanschbuchse und der Armaturenspindel ein Adapter zur Übertragung der Antriebskraft zwischen Stellantrieb und Armatur angeordnet.

Die Flanschbuchse wird zwischen ihren Flanschen durch eine Freidrehung soweit geschwächt, daß ein Torsionsmoment durch einen dort angeordneten Dehnungsmeßstreifen erkennbar ist.

Zwischen den Flanschen der Flanschbuchse ist ferner eine den Dehnungsmeßstreifen überdeckende Schutzhülse angeordnet, die gleichzeitig ein Gehäuse zur Aufnahme eines Meßverstärkers trägt.

Nach einer anderen Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß ein Bauteil des Stellantriebes oder der Armatur in seinem Querschnitt geschwächt ist und in diesem geschwächten Bereich wenigstens einen Dehnungsmeßstreifen trägt.

Durch die Verwendung eines Bauteiles des Stellantriebes oder der Armatur als Torsionselement werden die äußeren Baumaße der Baueinheit Armatur/Stellantrieb nicht verändert, so daß ein Schwerpunktverschiebung wie bei der Lösung "Flanschbuchse" nicht eintritt.

Die Signale des Dehnungsmeßstreifens werden dabei vorzugsweise induktiv durch dem Dehnungsmeßstreifen zugeordnete Spulen übertragen.

Ein mit dem Bauteil verbundene Spulenrotor übergreift den Dehnungsmeßstreifen und dient vorzugsweise als Schutzhülle.

Anhand von Ausführungsbeispielen und den Fig. 1 bis 3 werden die erfindungsgemäßen Einrichtungen beschrieben.

Dabei zeigt die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich von Stellantrieb und Armatur mit der dieselben verbindenden Flanschbuchse,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Figur 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich der Baueinheit Stellantrieb/Armatur mit einer als Torsionselement ausgebildeten Zentralantriebssäule des Stellantriebes.

Die Fig. 1 zeigt eine Flanschbuchse 1, die mit einem Gehäuse 2 eines nicht näher dargestellten Stellantriebes 3 und einem Gehäuse 4 einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Armatur 5 zu einer stationären Baueinheit verbunden ist. Dazu ist der untere Flansch 6 mit Gewindebohrungen 7 zur Aufnahme von je einer das Gehäuse 4 und einen ihm zugeordneten Ring 8 durchsetzenden, mit neun, angedeuteten, Schraube versehen. Der obere Flansch 10 weist Durchgangsbohrungen 11 zur Aufnahme von mit 12 angedeuteten Schrauben auf, die in nicht dargestellten Gewindebohrungen des Gehäuses 2 eingreifen.

Zur Übertragung der Antriebskraft des Stellantriebes 3 greift dessen über ein Kugellager 13 am Gehäuse 2 abgestützte Zentralantriebssäule 14 über eine Nut-/Federverbindung 15 in einen hülsenförmigen Adapter 16 ein. Über eine weitere Nut-/Federverbindung 17 zwischen dem Adapter 16 und einer Gewindehülse 18 der Armatur 5 wird die durch Kugellager 19 abgestützte Gewindehülse 18 in Drehung versetzt, so daß die Spindel 20 der Armatur 5 ihre Hubbewegung ausführt. Dabei durchsetzt die Spindel 20 den hülsenförmigen Adapter 16.

Die Flanschbuchse 1 ist zwischen ihren Flanschen 6, 10 mit einer Freidrehung 21 versehen, so daß an dieser Stelle eine relativ dünne Wand 22 stehenbleibt. Diese dünne Wand 22 trägt zwei diametral gegenüberliegende Dehnungsmeßstreifen 23. Sie messen ein in Form eines Torsionsmomentes auftretendes Drehmoment, das eine dem Kraftfluß zwischen Zentralantriebssäule 14, Adapter 16 und Gewindehülse 18 gebildeten Reaktionskraft entspricht. Die Meßsignale der Dehnungsmeßstreifen werden einem mit 24 angedeuteten Meßverstärker zugeleitet. Vom Meßverstärker gelangt das Ausgangssignal zu einer nicht dargestellten Auswertestation und/oder zu einer nicht dargestellten Steuereinheit des Stellantriebs-Motor. In der Auswertestation werden die Drehmomentkurven mit Sollkurven bestimmter Betriebsabläufe der Baueinheit Stellantrieb/Armatur verglichen. Abweichungen geben Aufschluß über mechanische Veränderungen in der Baueinheit und erlauben z. B. eine vorbeugende Instandhaltung. Die der Steuereinheit des Elektromotors für den Stellantrieb zufließenden Signale führen zum Abschalten des Motors beim Überschreiten eines zulässigen Drehmomentes. Eine Schutzhülse 25 übergreift die Freidrehung 21 und trägt ein Gehäuse 26 des Meßverstärkers 24. Eine Dichtung 27 schützt die im Bereich der Freidehnung 21 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 23 vor Verschmutzung und/oder Beschädigung.

Die Fig. 2 zeigt in einem Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 die Position der Dehnungsmeßstreifen 23 und des Meßverstärkers 24. Die ein Scharnier 28 und ein Verschlußelement 29 aufweisende Schutzhülse 25 umfaßt konzentrisch die Wand 22 und trägt das Gehäuse 26 des Meßverstärkers 24.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3. Dort sind das Gehäuse 2 des Stellantriebes 3 und das Gehäuse 5 über eine Verschraubung 30 unmittelbar miteinander verbunden. Die Zentralantriebssäule 14 ist über eine Nut-/Federverbindung 31 mit der Gewindehülse 18 kraftschlüssig verbunden. Das Drehen der über Kugellager 19 abgestützten Gewindehülse 18 führt zur Hubbewegung der Spindel 20 der Armatur 5. Ein mit der Zentralantriebssäule 14 verbundenes Schneckenrad 32 wird von einer nicht dargestellten Schneckenwelle angetrieben. Durch eine Freidrehung 21 ist mit der Zentralantriebssäule 14 ein Bauteil des Stellantriebes 3 als Dehnungsbuchse ausgebildet, die im Bereich der Freidrehung 2 diametral gegenüberliegend angeordnete Dehnungsmeßstreifen 23trägt. Ein der Zentralantriebssäule 14 zugeordneter Spulenrotor 33 und ein stationär mit dem Gehäuse 2 verbundener Spulenstator 34 dienen der induktiven Übertragung der Meßsignale zu einem nicht dargestellten Meßverstärker. Der Spulenrotor 33 dient dabei gleichzeitig als Schutzhülle für die Dehnungsmeßstreifen 23. Der Kraftfluß und die Drehbewegung vom Stellantrieb wird direkt in die Gewindebuchse geleitet. Der mit einer Schwächung versehene Bereich der Zentralantriebssäule 14 wird einem Torsionsmoment ausgesetzt. Dieses Torsionsmoment wird über die Dehnungsmeßstreifen gemessen und induktiv an den nicht dargestellten Meßverstärker weitergegeben. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt in der gleichen Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der Zentralantriebssäule 14 als Träger der Dehnungsmeßstreifen 23 können insbesondere alternativ dazu folgende Bauteile mit einer das Torsionsmoment leicht erkennenden Schwächung ausgerüstet sind:

Armaturengewindebuchse, Stege der Armaturenlaterne, Adapter zur Übertragung der Antriebskräfte, sowie Eingangs- und Ausgangswellen, Buchsen, Flanschverbindungen und sonstige Kupplungselemente, die als Übertragungsbauteile zwischen Elektromotor bzw. Stellantrieb und Armatur Verwendung finden.

Bezugszeichenliste

1 Flanschbuchse

2, 3, 26 Gehäuse

3 Stellantrieb

5 Armatur

6, 10 Flansch

7 Gewindebohrung

8 Ring

9, 12 Schraube

11 Durchgangsbohrung

13, 19 Kugellager

14 Zentralantriebssäule

15, 17, 31 Nut-/Federverbindung

16 Adapter

18 Gewindehülse

20 Spindel

21 Freidrehung

22 Wand

23 Dehnungsmeßstreifen

24 Meßverstärker

25 Schutzhülse

27 Dichtung

28 Scharnier

29 Verschlußelement

30 Verschraubung

32 Schneckenrad

33 Spulenstator

34 Spulenrotor


Anspruch[de]
  1. 1. Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb (1) bewegbaren Armatur (5) unter Verwendung wenigstens eines Dehnungsmeßstreifens (23), dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) des Stellantriebes (3) und das Gehäuse (4) der Armatur (5) über eine Flanschbuchse (1) miteinander verbunden sind, daß die Flanschbuchse den Dehnungsmeßstreifen (23) trägt und einen Freiraum zum Durchtritt der Armaturenspindel (20) aufweist.
  2. 2. Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb (1) bewegbaren Armatur (5) unter Verwendung wenigstens eines Dehnungsmeßstreifens (23), dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil des Stellantriebes (3) oder der Armatur (5) in seinem Querschnitt geschwächt ist und in diesem geschwächten Bereich wenigstens einen Dehnungsmeßstreifen (23) trägt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ringraum zwischen der Flanschbuchse (1) und der Armaturenspindel (20) ein Adapter (16) zur Übertragung der Antriebskräfte zwischen Stellantrieb und Armatur angeordnet ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen einer zwischen den Flanschen (6, 10) der Flanschbuchse (1) vorgesehenen Freidrehung (21) zugeordnet sind.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Freidrehung (21) von einer teilbaren Schutzhülse (25) übergriffen ist und daß die Schutzhülse ein Gehäuse (26) zur Aufnahme eines Meßverstärkers (24) trägt.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dehnungsmeßstreifen (23) Spulen zur induktiven Übertragung der Meßsignale zugeordnet sind.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Bauteil verbundener Spulenrotor (33) den Dehnungsmeßstreifen (23) übergreift und als Schutzhülle dient.
  8. 8. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zum Steuern von Verfahrensabläufen technischer Anlagen.






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