Пневматический электромагнитный клапан, устройство с электромагнитным клапаном и способ диагностики пневматического электромагнитного клапана
PNEUMATIC ELECTROMAGNETIC VALVE, DEVICE WITH ELECTROMAGNETIC VALVE, AND METHOD FOR DIAGNOSTICS OF PNEUMATIC ELECTROMAGNETIC VALVE

Предметом данного изобретения является пневматический электромагнитный клапан, имеющийся в устройстве, содержащемся в технологической установке, такой как электростанция, например, атомная электростанция, химическая установка, например, нефтехимическая установка, такой как рафинировочный завод, установка по переработке пищевых продуктов, такая как пивоварня или молокозавод, и т.п. Данное изобретение касается также устройства с пневматическим исполнительным элементом или приводом одинарного или двойного действия, содержащим пневматический электромагнитный клапан. Данное изобретение касается, далее, способа диагностики пневматического электромагнитного клапана.
Из уровня техники известны пневматические электромагнитные клапаны, которые содержат электропневматический исполнительный элемент и приводимый им в действие трехходовой двухпозиционный клапан. Такой трехходовой двухпозиционный клапан (501) представлен на Фиг. 9 и Фиг. 10. Указанный трехходовой двухпозиционный клапан (501) при использовании в электропневматическом устройстве может иметь соединенный с источником сжатого воздуха воздухоподводящий канал (511), соединенный со сбросом для сжатого воздуха, таким как атмосфера, воздухоотводный канал (521), а также канал (551) управляющего воздуха для продувки и отсасывания воздуха пневматического исполнительного элемента. Указанный трехходовой двухпозиционный клапан (501) содержит также воздушную камеру (505), в которую выходят воздушные каналы (511, 521, 551), а также подвижный внутри воздушной камеры (505) золотник (553). Этот золотник (553) может запирать либо воздухоподводящий канал (511), либо воздухоотводный канал (521).
Для приведения в действие золотника (553), т.е. для перемещения золотника между закрытым положением воздухоотводного канала (фиг. 10) и закрытым положением воздухоподводящуго канала (Фиг. 9), указанный золотник исполнительной штангой (507) жестко соединен с якорем (533) магнита электромагнитного привода (503) линейного движения. Этот электромагнитный привод линейного движения снабжен возвратной пружиной (573) между якорем (533) магнита и ферромагнитным сердечником (537) привода. Возвратная пружина предназначена для того, чтобы при неактивном электромагнитном приводе путем обесточивания катушки (531) привести якорь (533) магнита, например, в закрытое положение воздухоподводящего канала (Фиг. 9). При активировании электромагнитного исполнительного элемента якорь магнита с преодолением силы возвратной пружины (573) магнитно притягивается и при достаточно сильном напряжении движется таким образом, что золотник приводится в закрытое положение воздухоотводного канала (Фиг. 10).
Между якорем магнита и намагничиваемым сердечником предусмотрено немагнитное щелевое пространство (534), чтобы избежать вхождения якоря (533) магнита в сенсорный контакт с намагничиваемым сердечником (537). При сенсорном контакте возникали бы чрезвычайно высокие адгезионные силы. Указанное щелевое пространство имеет такие размеры, что допускается известная степень износа и/или посадки у золотника (553) и взаимодействующего с ним седла (523) клапана воздухоотводного канала (521), без сенсорного контакта между якорем магнита и сердечником и обусловленного этим функционального выхода из строя указанного пневматического электромагнитного клапана. Сила магнитного притяжения между якорем магнита и сердечником возрастает в квадратной зависимости от обратного значения расстояния между сердечником и якорем магнита. Поэтому износ действует как самоусиливающийся эффект. После легкого начального износа дело может быстро и неконтролируемо дойти до выхода из строя пневматического электромагнитного клапана. Чтобы избежать функционального выхода из строя при работе установки, трехходовой двухпозиционный клапан заблаговременно заменяют. Поскольку фактическое состояние износа видно лишь на снятом и демонтированном клапане, то для надежной работы установки необходимо учитывать необязательные затраты на замену.
Из заявки DE 102016120655 А1 известен способ контроля состояния магнитного клапана, при котором напряжение, индуцируемое внутри электромагнита за счет возвращения в исходное положение толкателя, определяется как функция от времени после выключения тока в катушке посредством измерительного блока и с помощью блока обработки данных сравнивается с опорной функцией. По результатам этого сравнения могут быть сделаны выводы о состоянии пружин. Описанный в DE 102016120655 А1 способ не позволяет, однако, сделать выводы об износе и/или посадке золотника.
Задачей изобретения является преодоление недостатков уровня техники, в частности, создание магнитного клапана и способа диагностики магнитного клапана с повышенной защитой от выхода из строя. Эта задача решается посредством предметов независимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с этим предлагается пневматический электромагнитный клапан для периферийного прибора технологической установки, такой как электростанция, например, такой как атомная электростанция, химическая установка, например, нефтехимическая установка, установка по переработке пищевых продуктов, например, пивоварня, или т.п. Такой пневматический электромагнитный клапан содержит электромагнитный исполнительный элемент с катушкой, по которой идет ток, и подвижным относительно катушки якорем магнита. Электромагнитный исполнительный элемент может также иметь неподвижный относительно катушки железный сердечник или магнитный сердечник. Указанный электромагнитный исполнительный элемент может быть, в частности, электромагнитным линейным актуатором.
Пневматический электромагнитный клапан содержит (первую) воздушную камеру, в которую выходят три воздушных канала, причем эти три воздушных канала представляют собой первый воздушный канал, второй воздушный канал и канал управляющего воздуха. Первый воздушный канал может быть, например, воздухоподводящим каналом, который соединен с источником сжатого воздуха, таким как резервуар сжатого воздуха, компрессор или т.п. Второй канал может быть воздухоотводным каналом, который соединен со сбросом давления, таким как атмосфера. Канал управляющего воздуха может быть соединен с пневматическим исполнительным элементом, чтобы снабжать его воздухом или откачивать из него воздух. Указанный пневматический электромагнитный клапан выполнен, в частности, как трехходовой двухпозиционный клапан. Если пневматический электромагнитный клапан выполнен как трехходовой двухпозиционный клапан, то золотник может быть помещен в воздушную камеру таким образом, что этот золотник запирает либо первый воздушный канал либо второй воздушный канал. Этот пневматический электромагнитный клапан содержит золотник, который в первом закрытом положении запирает первый воздушный канал и освобождает второй воздушный канал; и который во втором закрытом положении запирает второй воздушный канал и освобождает первый воздушный канал. В частности, этот золотник может быть выполнен таким образом, что независимо от положения золотника канал управляющего воздуха свободен. В частности, пневматический электромагнитный клапан свободен от дополнительных выходящих в воздушную камеру воздушных каналов. Предпочтительно в воздушную камеру выходят исключительно первый воздушный канал, второй воздушный канал и канал управляющего воздуха. Первое закрытое положение может быть обозначено как закрытое положение воздухоподводящего канала. Второе закрытое положение может быть реализовано как закрытое положение воздухоотводного канала. Указанный золотник представляет собой, в частности, по меньшей мере частично упругий уплотнительный элемент.
Предлагаемый изобретением магнитный клапан содержит подвижный ведущий элемент, в частности, исполнительную штангу или исполнительный вал. Ведущий элемент подвижен в первом направлении действия и во втором направлении действия, противоположном первому. Например, ведущий элемент может быть выполнен как исполнительная штанга и быть линейно подвижным, например, вниз и вверх. Этот ведущий элемент соединяет золотник с якорем магнита в соответствии с передачей усилия. Между ведущим элементом и якорем магнита расположено по меньшей мере одно средство предварительного натяжения ведущего элемента, такое как пружина, для оказания усилия предварительного натяжения на ведущий элемент в направлении совместного движения соответственно первому направлению действия или соответственно второму направлению действия. Далее, предусмотрено по меньшей мере одно средство возвратного предварительного натяжения, такое как возвратная пружина, для оказания возвратного усилия на ведущий элемент противоположно направлению совместного движения. Это средство возвратного предварительного натяжения может быть установлено, в частности, между ведущим элементом и электромагнитным исполнительным элементом, предпочтительно неподвижным относительно катушки сердечником электромагнитного исполнительного элемента.
Указанный ведущий элемент свободен от соединения с замыканием по материалу и/или жесткого соединения с якорем магнита. Ведущий элемент подвижен относительно якоря магнита. В частности, ведущий элемент может быть линейно подвижным относительно якоря магнита. Якорь магнита и ведущий элемент предпочтительно подвижны относительно катушки в одном и том же направлении. Например, выполненный как исполнительная штанга ведущий элемент может иметь линейную подвижность соответственно направлению совместного движения, а якорь магнита может иметь линейную подвижность соответственно направлениям действия, которые ориентированы параллельно, в частности, коаксиально друг другу. Если ведущий элемент реализован, например, как исполнительный вал, то может иметь место промежуточное движение относительно оси вращения, и электромагнитный исполнительный элемент может быть реализован как ось вращения с поворотно подвижным якорем магнита, который может поворачиваться вокруг этой же или другой оси вращения.
Предпочтительно средство предварительного натяжения ведущего элемента и средство возвратного предварительного натяжения могут быть выполнены отдельно друг от друга. Например, указанное средство ведения и предварительного натяжения, такое как пружина, например, первая спиральная пружина, и указанное средство возвратного предварительного натяжения могут быть образованы как возвратная пружина, например, вторая спиральная пружина. Возможно также, что средство предварительного натяжения ведущего элемента и/или средство возвратного предварительного натяжения выполнены как пластиковая пружина. Например, пластиковая пружина может быть реализована как эластомерный блок. Возможно также, что такого рода пластиковая пружина в функциональном объединении работает, с одной стороны, как средство ведения и предварительного натяжения, а с другой стороны, как средство возвратного предварительного натяжения. Например, за счет того, что пластиковая пружина соединена с ведущим элементом и с одной стороны опирается на якорь магнита, а с другой стороны - на неподвижную относительно катушки часть электромагнитного исполнительного элемента. Такая пластиковая пружина может иметь различные участки, причем один участок работает как средство ведения и предварительного натяжения, а другой участок работает как средство возвратного предварительного натяжения. Возможно также, что указанное средство возвратного предварительного натяжения расположено между ведущим элементом и якорем магнита.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения упомянутое направление совместного движения соответствует второму направлению действия, т.е. первое направление действия соответствует направлению движения якоря магнита из второго закрытого положения в первое закрытое положение. Второе направление действия соответствует направлению движения якоря магнита из первого закрытого положения во второе закрытое положение. При таком предпочтительном варианте выполнения указанное средство предварительного натяжения ведущего элемента оказывает усилие предварительного натяжения в направлении указанного второго направления действия, т.е. во втором закрытом положении, как движущая сила от золотника на уплотнительное кольцо второго воздушного канала. Благодаря отсоединению золотника от якоря магнита с помощью ведущего элемента и указанного средства предварительного натяжения ведущего элемента вызывается ограничение закрывающего усилия золотника, действующего на седло клапана воздушного канала в направлении совместного движения. За счет этого предпочтительно ограничивается закрывающее усилие золотника на седло клапана, даже если подвижный якорь магнита очень сильно приближается к сердечнику электрического исполнительного элемента, например, пока не останется лишь очень маленький зазор. Таким образом могут предотвращаться экспоненциально самоусиливающиеся явления.
В отличие от обычных трехходовых двухпозиционных клапанов, защита от выхода из строя предлагаемого изобретением пневматического электромагнитного клапана может быть таким образом значительно повышена.
Согласно одному варианту выполнения указанный электромагнитный исполнительный элемент выполнен с неподвижным относительно катушки намагничиваемым, в частности, ферромагнитным сердечником. Между сердечником и якорем магнита расположено немагнитное щелевое пространство. В частности, это немагнитное щелевое пространство образует свободное пространство в первом и/или втором направлениях действия между сердечником и якорем магнита, так что в соответствии с режимом работы этот сердечник всегда находится вне контакта с якорем магнита. Предпочтительно в указанном щелевом пространстве может быть размещено антипригарное тело, такое как антипригарное покрытие или антипригарный диск из немагнитного материала, например, PTFE (Teflon). Расположенное в указанном щелевом пространстве антипригарное тело может закрывать поверхность сердечника и/или якоря магнита в указанном щелевом пространстве на отдельных участках или по всей поверхности. Электромагнитный исполнительный элемент должен иметь такие размеры, в частности, чтобы в первом закрытом положении и/или во втором закрытом положении оставался указанный при необходимости по меньшей мере частично заполненный антипригарным телом, немагнитный зазор между сердечником и якорем электромагнита.
Согласно одному варианту выполнения пневматического электромагнитного клапана указанный ведущий элемент имеет упор для определения конечного положения якоря магнита относительно ведущего элемента против направления совместного движения. Позиция упора в направлении совместного движения может смещаться относительно ведущего элемента. В частности, позиция упора в направлении совместного движения неподвижна относительно ведущего элемента. Указанный упор может быть жестко, например, с геометрическим замыканием или как единое целое соединен с ведущим элементом. Этот упор ограничивает подвижность якоря магнита относительно ведущего элемента встречно направлению совместного движения. В направлении совместного движения якорь магнита подвижен относительно ведущего элемента, без препятствия со стороны упора. Если якорь магнита с помощью электромагнитного исполнительного элемента и/или средства возвратного предварительного натяжения перемещается встречно направлению совместного движения, то этот якорь магнита вступает в сенсорный контакт с упором. За счет того, что якорь магнита отжат к упору ведущего элемента, гарантируется, что якорь магнита и ведущий элемент встречно направлению совместного движения завершают совместное движение. Таким образом якорь магнита может увлекать с собой ведущий элемент, чтобы привести золотник в первое закрытое положение.
Согласно одному варианту выполнения пневматического электромагнитного клапана средство предварительного натяжения ведущего элемента ограничивает эффект прижатия, такой как прижимное усилие золотника к седлу клапана в направлении совместного движения. Это средство предварительного натяжения ведущего элемента может ограничивать прижимное усилие золотника к седлу клапана, например, в направлении совместного движения, которое, например, может соответствовать второму направлению действия, к второму седлу клапана. Указанное средство ведения и предварительного натяжения может ограничивать прижимное усилие золотника к седлу клапана в закрытом положении, которое вызывается за счет электромагнитного приведения в действие якоря магнита посредством электромагнитного исполнительного элемента. Например, второе закрытое положение может быть достигнуто путем приведения в действие якоря магнита посредством электромагнитного исполнительного элемента. Это закрытое положение может достигаться за счет того, что якорь магнита перемещается с помощью электромагнита, причем это движение с помощью средства предварительного натяжения ведущего элемента передается с якоря магнита на ведущий элемент. До тех пор, пока золотник свободно движется между первым седлом клапана и вторым седлом клапана, движение ведущего элемента соответствует движению якоря магнита. Если золотник в направлении совместного движения вошел в сенсорный контакт с седлом клапана, то дальнейшее движение ведущего элемента в направлении совместного движения вследствие этого прекращается, причем дальнейшее движение якоря магнита может происходить в направлении совместного движения, например, в щелевое пространство. Это движение якоря магнита в направлении совместного движения за пределы закрытого положения может по меньшей мере частично или полностью восприниматься средством предварительного натяжения ведущего элемента, без передачи движения якоря магнита на золотник. Таким образом ограничивается эффект прижатия, в частности, прижимное усилие золотника к седлу клапана в направлении совместного движения. Таким образом, во-первых, значительно снижается импульс силы соударения золотника с седлом клапана в направлении совместного движения, поскольку значительно большая масса якоря магнита развязана относительно массы ведущего элемента и золотника, так что масса якоря магнита не оказывает воздействия на импульс силы при соударении золотника с седлом клапана в направлении совместного движения. Далее, движение якоря магнита в щелевое пространство в этом случае не вызывает соответствующее движение или деформацию золотника; в этом отличие от уровня техники по Фиг. 9, при котором возникает, жесткое, с замыканием по материалу соединение якоря магнита с золотником. Далее, эффект прижатия золотника в направлении совместного движения к седлу клапана развязывается от экспоненциально возрастающей магнитной силы, которую оказывает электромагнит на якорь магнита при уменьшающемся щелевом пространстве. От якоря магнита на ведущий элемент передается не эффективная магнитная сила, а только вызываемое за счет (свободного) установочного хода в области щелевого пространства дополнительное пружинное усилие средства предварительного натяжения ведущего элемента.
Альтернативно или дополнительно средство возвратного предварительного натяжения может ограничивать эффект прижатия, в частности, прижимное усилие золотника к седлу клапана встречно направлению совместного движения. Например, пневматический электромагнитный клапан может быть предназначен для того, чтобы при отключении электропитания указанного электропневматического исполнительного элемента только сила средства возвратного предварительного натяжения отжимала золотник в закрытое положение, например, в первое закрытое положение встречно седлу клапана, например, первому седлу клапана. При таком выполнении указанное средство возвратного предварительного натяжения может быть сконструировано с помощью пружины с линейной характеристической кривой или прогрессивной характеристической кривой. В вызванном с помощью средства возвратного предварительного натяжения закрытом положении, например, в первом закрытом положении обеспечено заранее заданное закрывающее усилие соответственно предварительному натяжению средства возвратного предварительного натяжения. Это усилие предварительного натяжения средства возвратного предварительного натяжения может быть выбрано в соответствии с установочным ходом пружины, создающей предварительное напряжение, который существенно меньше, чем установочный ход золотника от первого закрытого положения до второго закрытого положения. Например, установочный ход поджимающей пружины может составлять меньше 50%, меньше 20% или даже меньше 10% от установочного хода исполнительного элемента. Усилие предварительного натяжения, создаваемое средством возвратного предварительного натяжения, в этом закрытом положении соответствует прижимному усилию золотника, оказываемому на седло клапана.
Согласно одному варианту выполнения пневматический электромагнитный клапан может содержать, далее, вторую воздушную камеру и расположенный в ней второй золотник. Этот второй золотник так же, как и первый, может нести на себе ведущий элемент. Второй золотник может нести на себе другой ведущий элемент. Указанный ведущий элемент, в частности, исполнительная штанга может иметь вилочную форму с несколькими зубцами, каждый из которых может нести на себе по меньшей мере один золотник. Указанный второй золотник представляет собой, в частности, по меньшей мере частично упругий уплотнительный элемент. В указанную дополнительную воздушную камеру выходят три дополнительных воздушных канала. Указанные дополнительные воздушные каналы включают в себя четвертый воздушный канал, пятый воздушный канал и еще один канал управляющего воздуха. Второй золотник в первом закрытом положении запирает четвертый воздушный канал и освобождает пятый воздушный канал. Во втором закрытом положении второй золотник запирает пятый воздушный канал и освобождает четвертый воздушный канал.
Пятый воздушный канал может представлять собой, например, воздухоподводящий канал, который соединен с источником сжатого воздуха, таким как резервуар сжатого воздуха, компрессор или т.п. Четвертый воздушный канал может быть воздухоотводным каналом, который соединен со сбросом давления, таким как атмосфера. Указанный дополнительный канал управляющего воздуха может быть соединен с пневматическим исполнительным элементом, чтобы снабжать его воздухом или откачивать из него воздух. Указанный пневматический электромагнитный клапан выполнен, в частности, как пятиходовой двухпозиционный вентиль. Если пневматический электромагнитный клапан выполнен как пятиходовой двухпозиционный вентиль, то первый золотник может быть помещен в воздушной камере таким образом, что этот золотник запирает либо первый воздушный канал, либо второй воздушный канал, а второй золотник может быть размещен в указанной дополнительной воздушной камере так, что второй золотник запирает либо четвертый воздушный канал, либо пятый воздушный канал. Ведущий элемент или дополнительный воздушный элемент соединяет второй золотник в соответствии с передачей усилия с указанным, в частности, только одним якорем магнита. Между ведущим элементом второго золотника и якорем магнита расположено по меньшей мере одно средство предварительного натяжения ведущего элемента, такое как пружина, для оказания усилия предварительного натяжения на ведущий элемент в направлении совместного движения соответственно первому направлению действия или соответственно второму направлению действия. Далее, предусмотрено по меньшей мере одно средство возвратного предварительного натяжения, такое как возвратная пружина, для оказания возвратного усилия на ведущий элемент для второго золотника встречно направлению совместного движения. Указанное средство возвратного предварительного натяжения может быть расположено, в частности, между ведущим элементом для второго золотника и электромагнитным исполнительным элементом, предпочтительно неподвижным относительно катушки сердечником электромагнитного исполнительного элемента.
Указанный пневматический электромагнитный клапан может содержать n (более двух) золотников в n воздушных камерах с соответствующими воздушными каналами, причем эти n дополнительных золотников могут быть расположены на одном и том же ведущем элементе или на нескольких, в частности, индивидуальных ведущих элементах. Указанные n дополнительных золотников могут быть реализованы в пневматическом электромагнитном клапане соответственно описанному выше второму золотнику. В частности, пневматический электромагнитный клапан может быть реализован как n-ходовой двухпозиционный клапан..
Согласно одной модификации пневматического электромагнитного клапана первый воздушный канал и пятый воздушный канал включены пневматически параллельно. Альтернативно или дополнительно второй воздушный канал и четвертый воздушный канал могут быть включены параллельно. Например, первый воздушный канал и пятый воздушный канал могут быть реализованы как вентиляционные каналы, которые через общий питающий канал соединены с источником сжатого воздуха. Например, второй воздушный канал и четвертый воздушный канал могут быть реализованы как вытяжные вентиляционные каналы, которые соединены со сбросом давления, в частности, с атмосферой. Согласно одной альтернативной модификации пневматического электромагнитного клапана первый воздушный канал и четвертый воздушный канал включены пневматически параллельно. Альтернативно или дополнительно второй воздушный канал и пятый воздушный канал могут быть включены параллельно. Например, второй воздушный канал и пятый воздушный канал могут быть реализованы как вытяжные вентиляционные каналы, которые соединены со сбросом давления, в частности, с атмосферой.
Согласно одной модификации пневматического электромагнитного клапана ведущий элемент содержит упругую связь между первым золотником и вторым золотником. Согласно этому варианту выполнения первый и второй золотники расположены на одном и том же ведущем элементе. Упругая связь может образовывать участок ведущего элемента, который обладает повышенной упругостью относительно остального ведущего элемента. Например, эта упругая связь может иметь по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 50% или по меньшей мере на 100% более высокую упругость, чем участок ведущего элемента между этой упругой связью и/или первым золотником и средством предварительного натяжения ведущего элемента. В частности, эта упругая связь может ограничивать эффект прижатия, в частности, закрывающее усилие, которое оказывает другой золотник на по меньшей мере одно другое седло клапана.
Согласно другой модификации пневматического электромагнитного клапана ведущий элемент содержит жесткую связь между первым золотником и вторым золотником. Согласно этому варианту выполнения первый и второй золотники расположены на одном и том же ведущем элементе. Предпочтительно весь ведущий элемент является жестким. В частности, упругость ведущего элемента между вторым золотником и/или первым золотником и средством предварительного натяжения ведущего элемента является постоянной. В частности, средство предварительного натяжения ведущего элемента может ограничивать эффект прижатия, оказываемый дополнительным золотником на дополнительное седло клапана в направлении совместного движения, и/или это средство возвратного предварительного натяжения может ограничивать эффект прижатия дополнительного золотника к дополнительному седлу клапана встречно направлению совместного движения.
Согласно одному варианту выполнения пневматический электромагнитный клапан содержит аналоговую и/или цифровую диагностирующую электронику, которая, предпочтительно во время активации катушки для приведения в действие якоря магнита, определяет текущий по катушке ток, чтобы предоставить результат диагностики. Эта диагностирующая электроника может быть, в частности, предназначена для того, чтобы на основе по меньшей мере одного первого локального минимума тока предоставить результат диагностики. Например, такая диагностирующая электроника может быть предназначена для того, чтобы предоставить результат диагностики с учетом разности во времени между по меньшей мере одним (первым) локальным минимумом тока и контрольным моментом. Этот контрольный момент может быть задан заранее. В частности, диагностирующая электроника может быть предназначена для того, чтобы на основе по меньшей мере двух локальных минимумов тока - первого локального минимума тока и второго локального минимум тока - предоставить результат диагностики. Указанная диагностирующая электроника может быть предназначена для того, чтобы предоставлять результат диагностики с учетом второй разности во времени, которая возникает между наступлением первого минимума тока и контрольным моментом, который задан наступлением второго локального минимума тока. По этой разности во времени можно сделать вывод о степени износа трехходового двухпозиционного клапана. Такая диагностирующая электроника может быть предназначена для того, чтобы выдавать предупредительное оповещение или сигнализацию об ошибке, если указанная разность во времени упадет ниже заранее заданного порогового значения.
Указанная аналоговая и/или цифровая диагностирующая электроника пневматического электромагнитного клапана может быть предназначена, в частности, для осуществления способа диагностики, такого как описывается ниже. Для аналоговой диагностики значение тока может быть с помощью шунтирующего сопротивления преобразовано в электрическое напряжение, и его изменение во времени может постоянно контролироваться. С помощью дифференцирующих элементов могут детектироваться изломы и, например, преобразовываться в отдельные импульсы. Вычислительная ячейка может преобразовывать время, прошедшее между обоими импульсами в цифровую или аналоговую величину. Для цифрового анализа с использованием микропроцессора, микроконтроллера или т.п. они могут постоянно цифровым образом преобразовывать сигнал напряжения на шунтирующем сопротивлении и с помощью стандартной программы микропрограммного обеспечения детектировать и оценивать изломы и разность во времени между ними. За счет дополнительных демпфирующих элементов указанная разность во времени между ограничительными изломами может возрастать. Таким образом, для блока оценки результатов обеспечивается улучшенная детектируемость. Демпфирующие элементы могут демпфировать как якорь относительно корпуса, так и шток клапана с уплотнительным элементом относительно якоря. За счет оптимально выбранной амплитуды напряжения переключения может также оптимизироваться временная диаграмма нарастания тока. Данное изобретение касается также периферийного прибора для технологической установки, такой как электростанция, химическая установка, установка по переработке пищевых продуктов или т.п., содержащего пневматический привод установочного клапана, в частности, одинарного действия или двойного действия, и пневматический электромагнитный клапан, такой, как описан выше, причем первый воздушный канал представляет собой вентиляционный канал для соединения с источником сжатого воздуха, а второй воздушный канал представляет собой вытяжной вентиляционный канал для соединения со сбросом для сжатого воздуха, и причем канал управляющего воздуха соединен с камерой управляющего воздуха привода установочного клапана.
Согласно одному варианту выполнения периферийного прибора, пневматический привод установочного клапана может быть сконструирован как привод установочного клапана одинарного действия с пружинным возвратом. Привод установочного клапана одинарного действия имеет предпочтительно только одну нагружаемую сжатым воздухом камеру управляющего воздуха для обеспечения усилия приведения в действие установочного клапана, которое действует против возвратного усилия пружинного возврата. Согласно этому варианту выполнения, указанный магнитный клапан может быть реализован, в частности, как трехходовой двухпозиционный клапан.
Согласно одному варианту выполнения периферийного прибора с пневматическим приводом установочного клапана двойного действия и пневматическим электромагнитным клапаном с первым золотником и вторым золотником, в частности, такого как вышеописанный, первый канал управляющего воздуха соединен с первой камерой управляющего воздуха привода установочного клапана, а второй канал управляющего воздуха соединен с второй камерой управляющего воздуха, действующей противоположной первой камере управляющего воздуха. Согласно этому варианту выполнения указанный магнитный клапан может быть реализован, в частности, как пятиходовой двухпозиционный вентиль. Пневматический привод установочного клапана двойного действия предпочтительно содержит точно две противоположно действующие камеры управляющего воздуха для приведения в действие установочного клапана. Может быть особенно предпочтительным выполнение у такого периферийного прибора первого и пятого воздушных каналов как вентиляционных каналов, а второго и четвертого воздушных каналов как вытяжных вентиляционных каналов. Таким образом может быть обеспечено простое приведение в действие пневматического привода установочного клапана двойного действия за счет того, что первый золотник откачивает воздух, тогда как второй золотник подает воздух, или наоборот.
Данное изобретение касается также способа диагностики пневматического электромагнитного клапана периферийного прибора технологической установки, такой как электростанция, химическая установка, установка по переработке пищевых продуктов или т.п. В частности, способ диагностики может быть рассчитан на пневматический электромагнитный клапан и/или периферийный прибор, как описано выше.
Этот способ диагностики включает в себя диагностическую программу. В соответствии с диагностической программой активируется электромагнитный исполнительный элемент с якорем магнита для приведения в действие золотника. В соответствии с этой диагностической программой в качестве первого контрольного момента определяется соударение золотника с седлом клапана, а в качестве второго контрольного момента определяется соударение якоря магнита со стопором, таким как немагнитное антипригарное тело, например, антипригарное покрытие или антипригарный диск, в частности, на неподвижном сердечнике электромагнитного исполнительного элемента. В соответствии с диагностической программой указанного способа диагностики определяется разность во времени останова между первым контрольным моментом и вторым контрольным моментом. Эта разность во времени останова должна сравниваться с заранее заданным контрольным значением разности во времени. Возможно также, что сравниваются друг с другом разности во времени останова в нескольких осуществляемых друг за другом диагностических программах. Возможно также, что осуществляют комбинирование вышеназванных сравнений, например, могут сравниваться между собой несколько различных определенных разностей во времени в различных диагностических программах. На основании сравнения одного или нескольких значений разности во времени останова, которые определены в одной или нескольких диагностических программах указанного способа диагностики, может быть сделано заключение о состоянии износа пневматического электромагнитного клапана. Предлагаемый изобретением способ диагностики позволяет поэтому осуществлять непрерывный контроль рабочего состояния трехходового двухпозиционного клапана во время эксплуатации, так что магнитный клапан может использоваться в течение всего безопасного срока службы. Контроль работы и состояния износа электромагнитного магнитного клапана делает возможной особенно безопасную эксплуатацию, поскольку можно надежно исключить неожиданный отказ вследствие износа. Ясно, что обозначение контрольных моментов как «первый» или «второй» контрольный момент, а также при необходимости «третий», «четвертый» или т.п. контрольный момент не связано с временем наступления контрольных моментов. Более того, благодаря разному обозначению становится понятно, что различные контрольные моменты коррелируют с различными актуальными для диагностики событиями, и в каждом случае к конкретным актуальным для диагностики событиям могут быть привязаны определенные отдельные контрольные моменты.
В одном варианте выполнения способа диагностики при этой диагностической программе в качестве четвертого контрольного момента определяется момент соударения дополнительного золотника с дополнительным седлом клапана. При этом, в частности, определяется по меньшей мере еще одна разность во времени останова между четвертым контрольным моментом и первым контрольным моментом и/или вторым контрольным моментом. Согласно одному варианту выполнения указанного способа диагностики для активирования электромагнитного исполнительного элемента ток может течь через катушку этого исполнительного элемента, и первый контрольный момент и/или второй контрольный момент, и/или четвертый контрольный момент могут определяться на основе локального (первого, второго и/или третьего) минимума электрического тока в катушке. Электрический ток в катушке электромагнитного исполнительного элемента находится во взаимосвязи с движением и позицией якоря магнита относительно электромагнитного привода. Если якорь магнита, например, при соударении золотника с седлом клапана и/или в конце свободного движения якоря магнита испытывает торможение, то, коррелируя с этим торможением, наступает локальный во времени минимум протекающего в катушке тока. Например, этот способ диагностики может осуществляться с учетом разности во времени между по меньшей мере одним (первым) локальным минимумом тока и контрольным моментом. Этот контрольный момент может быть задан заранее. В частности, на основе по меньшей мере двух локальных минимумов тока, первого локального минимума тока и второго локального минимума тока может осуществляться способ диагностики. Этот способ диагностики может осуществляться с учетом второй разности во времени, которая имеется между наступлением первого минимума тока и контрольным моментом, определяемым наступлением второго локального минимума тока. Согласно одному варианту выполнения способа диагностики, который может комбинироваться с предыдущим вариантом, для этого способа диагностики в качестве третьего контрольного момента может определяться момент освобождения золотника от второго седла клапана. Может определяться разность во времени движения между первым контрольным моментом и третьим контрольным моментом, на основе которой может быть осуществлена еще одна диагностическая функция. Например, на основе сравнения определенной разности во времени движения по сравнению с эталоном разности во времени движения и/или со значениями разности во времени движения одной или нескольких других диагностических программ можно определять, может ли золотник беспрепятственно двигаться между первым седлом клапана и вторым седлом клапана. В частности, в качестве пятого контрольного момента может определяться момент освобождения дополнительного золотника от другого дополнительного седла клапана.
Согласно одному варианту выполнения способа диагностики, который может комбинироваться с предыдущим вариантом, осуществляют друг за другом несколько диагностических программ, причем учитываются разности во времени останова в нескольких диагностических программах, в частности, сравниваются друг с другом.
Согласно одному варианту выполнения способа диагностики, в качестве результата диагностики создается предупредительный сигнал о состоянии износа, если разность во времени останова по меньшей мере одной диагностической программы стремится к нулю или равна нулю. Например, предупредительный сигнал о состоянии износа может создаваться в том случае, если при осуществлении способа диагностики, в отличие от ожидаемого, не происходит наступления двух локальных минимумов тока, а возникает лишь один, поскольку это позволяет сделать вывод о том, что пневматический электромагнитный клапан функционирует ненадлежащим образом. Например, могут иметь дефект золотник и/или седло клапана, что больше не гарантирует надежного запирания золотника. Возможно также, что между якорем магнита и электромагнитным исполнительным элементом или между седлом клапана и золотником попало чужеродное тело, так что надлежащее движение больше невозможно. Однако, предупредительный сигнал о состоянии износа может быть выдан уже тогда, когда, например, при оценке разностей во времени останова нескольких осуществленных друг за другом диагностических программ могут быть выявлены тенденция и/или ход, согласно которым разность во времени останова претерпевает критическое изменение, т.е., например, снижается, т.е. стремится к нулю. Согласно одному варианту выполнения способа диагностики, комбинируемому с предыдущим, в качестве результата диагностики может осуществляться предупреждение о неисправности, если вторая разность во времени между двумя контрольными моментами во время по меньшей мере одной диагностической программы превышает предельное значение. При этом могут определяться вторая или дополнительная разность во времени между первым контрольным моментом и третьим контрольным моментом или между вторым контрольным моментом и третьим контрольным моментом и сравниваться с соответствующим предельным значением. Возможно также, что первый контрольный момент, второй контрольный момент и/или третий контрольный момент сравниваются с другим, например, заранее заданным, четвертым контрольным моментом, а эта разность во времени сравнивается с соответствующим предельным значением.
Другие признаки, свойства и преимущества данного изобретения поясняются на последующем описании одного предпочтительного варианта выполнения и с привлечением прилагаемых чертежей. На чертежах показано следующее.
Фиг. 1 вид в разрезе предлагаемого изобретением пневматического электромагнитного клапана в первом закрытом положении;
Фиг. 2а фрагмент предлагаемого изобретением магнитного клапана по Фиг. 1 во втором закрытом положении;
Фиг. 2b предлагаемый изобретением магнитный клапан по Фиг. 1 во втором закрытом положении, причем якорь магнита достиг своей конечной позиции;
Фиг. 3а диаграмма путь-время, на которой показана позиция якоря магнита, начиная от первого закрытого положения, в направлении совместного движения;
Фиг. 3b диаграмма путь-время, на которой показана позиция золотника предлагаемого изобретением магнитного клапана по Фиг. 1а, начиная от первого закрытого положения, во втором направлении действия;
Фиг. 3с диаграмма ток-время, на которой показано изменение электрического тока в магнитной катушке электропневматического исполнительного устройства по Фиг. 1 при движении золотника из первого закрытого положения во второе закрытое положение;
Фиг. 4а диаграмма путь-время положения якоря магнита для неисправного электропневматического исполнительного устройства;
Фиг. 4b диаграмма путь-время положения золотника для неисправного электропневматического исполнительного устройства;
Фиг. 4с диаграмма ток-время для неисправного
электропневматического исполнительного устройства по Фиг. 1;
Фиг. 5 вид в разрезе другого предлагаемого изобретением пневматического электромагнитного клапана во втором закрытом положении;
Фиг. 6а вид в разрезе еще одного предлагаемого изобретением магнитного клапана с несколькими золотниками во втором закрытом положении, причем якорь магнита достиг своей конечной позиции;
Фиг. 6b магнитный клапан по Фиг. 6а во втором закрытом положении, причем якорь магнита находится в контакте с упором;
Фиг. 6с вид в разрезе магнитного клапана по Фиг. 6а в состоянии, в котором первый золотник освободился из закрытого положения;
Фиг. 6d вид в разрезе магнитного клапана по Фиг. 6а в состоянии, в котором оба золотника освободились из закрытого положения;
Фиг. 7 диаграмма ток-время, на которой представлен электрический ток в магнитной катушке электропневматического исполнительного устройства по Фиг. 6а - Фиг. 6d при движении золотника из первого закрытого положения во второе закрытое положение;
Фиг. 8 вид в разрезе другого предлагаемого изобретением установочного клапана с несколькими золотниками;
Фиг. 9 обычный электропневматический трехходовой двухпозиционный клапан в первом закрытом положении; и
Фиг. 10 обычный трехходовой двухпозиционный клапан по Фиг. 9 во втором закрытом положении.
При дальнейшем рассмотрении предпочтительных вариантов выполнения изобретения на основе примеров осуществления, представленных на чертежах, для облегчения понимания одни и те же или подобные компоненты снабжены одними и теми же или подобными ссылочными обозначениями.
Предлагаемый изобретением пневматический электромагнитный клапан, который согласно родовому понятию выполнен как трехходовой двухпозиционный клапан, в целом обозначен позицией 1. В качестве существенных компонентов этот магнитный клапан 1 содержит электропневматический исполнительный элемент 3, который в данном случае выполнен как линейный актуатор, и воздушную камеру 5 с тремя выходящими в нее воздушными каналами, а именно с первым воздушным каналом 11, который выполнен как вентиляционный канал и соединен с источником сжатого воздуха, с вторым воздушным каналом 21, который выполнен как вытяжной вентиляционный канал и соединен с атмосферой, а также с третьим воздушным каналом, который выполнен как канал 51 управляющего воздуха и соединен с пневматическим исполнительным элементом (подробно не представлен).
1
2
1
2
У такого пневматического электромагнитного клапана 1 канал 51 управляющего воздуха всегда остается открытым независимо от положения золотника 53 внутри воздушной камеры 5. Магнитный клапан 1 имеет первое закрытое положение (Фиг. 1), в котором вентиляционный канал 11 закрыт золотником 53. Этот магнитный клапан 1 имеет второе закрытое положение (Фиг. 2а и 2b), в котором золотник 53 закрывает вытяжной вентиляционный канал 21. Магнитный клапан посредством движения золотника 53 в первом направлении S действия приводится в первое закрытое положение (Фиг. 1). Указанный магнитный клапан 1 посредством движения золотника 53 во втором направлении S действия приводится во второе закрытое положение (Фиг. 2а, Фиг. 2b). Движение золотника 53 в направлении первого седла 13 клапана, которое окружает место входа первого воздушного канала 11, в представленном в качестве примера варианте выполнения является движением золотника 53 в первом направлении S действия. Движение золотника 53 в направлении второго седла 23 клапана, которое окружает место входа второго вентиляционного канала 21 в воздушную камеру 5, в показанном на Фиг. 1 варианте выполнения реализует установочное перемещение во втором направлении S действия.
1
2
Золотник 53 жестко связан с ведущим элементом, который в представленных на чертежах в качестве примера вариантах выполнения реализован в виде исполнительной штанги 7. Эта исполнительная штанга 7 установлена подвижно относительно корпуса магнитного клапана 1 для совершения линейного движения в первом направлении S действия и/или во втором направлении S действия. Исполнительная штанга 7 с помощью реализованного посредством спиральной пружины 71 средства предварительного натяжения ведущего элемента в соответствии с передачей усилия соединена с якорем 33 магнита указанного электромагнитного исполнительного элемента 3.
2
2
Электромагнитный исполнительный элемент содержит катушку 31, в которой может течь управляющий ток I, чтобы создать электромагнитное поле, под действием которого может проводиться в действие якорь 33 магнита. В представленном на Фиг. 1, Фиг. 2а и Фиг. 2b в качестве примера варианте выполнения электромагнитного исполнительного элемента 3 как линейного актуатора якорь 33 магнита расположен коаксиально внутри катушки 31 электромагнита. Ось вращательной симметрии катушки, как показано, может соответствовать оси вращательной симметрии исполнительной штанги 7 и/или золотника 53. Исполнительная штанга 7 линейно подвижна, а с ней и золотник 53. Для приведения в действие электропневматического исполнительного устройства 1 электрический ток I течет в катушке 31 магнитного актуатора 3. Создаваемое за счет активации магнитной катушки 31 электромагнитное поле создает силу магнитного притяжения, при необходимости усиливаемую магнитным сердечником 35, и воздействующую на линейно подвижный якорь 33 магнита. Эта сила магнитного притяжения магнитного актуатора 3, воздействуя на якорь 33 магнита, вызывает движение якоря 33 магнита в направлении М совместного движения. Это движение якоря 33 магнита с помощью средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента передается на ведущий элемент 7, т.е. на исполнительную штангу, которая несет на себе золотник 53. В представленном варианте выполнения направление М совместного движения соответствует второму направлению S действия. Когда в представленном варианте выполнения магнитная катушка 31 активируется для приведения в действие якоря 33 магнита, то результатом этого является движение якоря 33 магнита в направлении М совместного движения (на представленном изображении верх) и соответственное, одинаково направленное движение золотника 53 во втором направлении S действия. При активированном электромагнитном актуаторе 3 якорь 33 магнита, ведущий элемент 7 и золотник 53 могут, начиная от первого закрытого положения, перемещаться вдоль установочного х пути клапана во втором направлении действия (верх), пока золотник 53 не достигнет второго закрытого положения (Фиг. 2а). Золотник 53 достигает второго закрытого положения, когда он входит в контакт с вторым седлом 23 клапана, которое образует место входа второго воздушного канала 21 в воздушную камеру 5.
Благодаря освобождению ведущего элемента 7 от якоря 33 магнита с помощью расположенного между ними и натянутого средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента якорь 33 магнита может двигаться дальше в своем направлении М совместного движения. После того, как за счет совместного движения якоря 33 магнита, золотника 53 и ведущего элемента 7 в направлении М совместного движения золотник 53 вошел в контакт с седлом 23 клапана, и не может совершать никаких движений, якорь 33 магнита может двигаться дальше вдоль установочного хода s. Этому движению якоря 33 магнита вдоль свободного установочного хода s может препятствовать подпружинивание, демпфирование или т.п., или оно может происходить беспрепятственно.
Якорь 33 магнита может двигаться дальше в направлении М совместного движения, пока это движение якоря 33 магнита относительно магнитной катушки 31 не будет остановлено (Фиг. 2b). В представленном варианте выполнения якорь 33 магнита ударяется в немагнитный стопор 7 4 в указанном щелевом пространстве 34 между якорем 33 магнита и магнитным сердечником 35. Немагнитный стопор 74 препятствует сенсорному контакту между ферромагнитными конструктивными элементами якоря 33 магнита и магнитного сердечника 35.
Во время движения якоря 33 магнита вдоль свободного отрезка s пути золотник 53 и ведущий элемент 7 находятся в фиксированной относительно корпуса магнитного клапана 1 позиции. Так как якорь 33 магнита через средство 71 предварительного натяжения ведущего элемента опирается на ведущий элемент 7, то средство 71 предварительного натяжения ведущего элемента сжимается соответственно свободному установочному ходу s, который завершил якорь 33 магнита. Этот ход или свободный установочный ход s при этом соответствует пути пружины средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента. За счет этого движения ведущего элемента 33 вдоль свободного отрезка s пути на золотник 53 оказывается закрывающее усилие, которое соответствует свободному отрезку s пути, умноженному на коэффициент жесткости пружины средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента. Это закрывающее усилие может быть в несколько раз меньше, чем действующая на якорь 33 магнита магнитная сила при очень сильном приближении к магнитному сердечнику 35.
В направлении М совместного движения средство 71 предварительного натяжения ведущего элемента с усилием V предварительного натяжения давит на ведущий элемент 7. Встречно направлению М совместного движения в представленном варианте выполнения по Фиг. 1, Фиг. 2а и Фиг. 2b средство 73 возвратного предварительного натяжения с возвратным усилием R неподвижного магнитного сердечника 35 действует на ведущий элемент 7.
Когда в показанных на Фиг. 2а и Фиг. 2b вариантах выполнения пневматического электромагнитного клапана 1 электромагнитный исполнительный элемент 3 деактивируется вследствие того, что электрический ток в катушке 31 прекращается или прерывается, сила магнитного притяжения, действующая на якорь 33 магнита в направлении М совместного движения, исчезает. Направленные встречно направлению М совместного движения силы предварительного натяжения возвратной спиральной пружины 73 и действующее в положении по Фиг. 2b усилие предварительного натяжения средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента вызывают тогда движение якоря 33 магнита встречно направлению М совместного движения (вниз).
Натянутое между ведущим элементом 7 и якорем 33 магнита средство 71 предварительного натяжения ведущего элемента перемещает якорь 33 магнита встречно направлению М совместного движения вплоть до упора 75, образованного на ведущем элементе 7. Этот упор 75 ограничивает линейную подвижность якоря 33 магнита относительно ведущего элемента 7 встречно направлению М совместного движения. Ведущий элемент 7, упор 75, средство 71 предварительного натяжения ведущего элемента и якорь 33 магнита могут быть таким образом согласованы друг с другом, что конструктивно гарантируется, что средство 71 предварительного натяжения ведущего элемента всегда находится, в частности, в подпружиненном сенсорном контакте как, с одной стороны, с ведущим элементом 7, так и, с другой стороны, с якорем 33 магнита. Когда якорь 33 магнита находится в сенсорном контакте с ненамагничиваемым стопором 74, якорь 33 магнита приподнят от упора 7 5 на ведущем элементе 7 на свободный установочный ход s.
Средство 73 возвратного предварительного натяжения сконструировано таким образом, что оно (i.) может перемещать якорь 33 магнита, начиная от второго закрытого положения (Фиг. 2а, Фиг. 2b), встречно направлению М совместного движения во второе закрытое положение (Фиг. 1), и/или (ii.) во втором закрытом положении может обеспечивать закрывающее усилие для прижатия золотника 53 к первому седлу 13 клапана.
1
Указанное средство 73 возвратного предварительного натяжения предусмотрено в общем в соответствии с передачей усилия между подвижным золотником 53 и неподвижной частью пневматического электромагнитного клапана 1. Это средство 73 возвратного предварительного натяжения может опираться, например, с одной стороны на золотник 53, на ведущий элемент 7 или на якорь 33 магнита. Средство 73 возвратного предварительного натяжения с другой стороны может опираться, например, на участок корпуса магнитного клапана 1, или на неподвижную часть электромагнитного исполнительного элемента 3, например, на магнитный сердечник 35. В частности, выполненное по типу спиральной пружины средство 73 возвратного предварительного натяжения может быть расположено натянутым между якорем 33 магнита и неподвижной контропорой пневматического электромагнитного клапана 1. В представленных на чертежах в качестве примера вариантах выполнения это средство 73 возвратного предварительного натяжения опирается с одной стороны на ведущий элемент 7, ас другой стороны на магнитный сердечник 35. Когда средство 73 возвратного предварительного натяжения перемещает ведущий элемент 7 в первом направлении S действия, в данном варианте выполнения якорь 33 магнита движется вместе с ведущим элементом 7 с помощью средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента.
В первом закрытом положении (Фиг. 1) средство 73 возвратного предварительного натяжения обеспечивает усилие предварительного натяжения на ведущем элементе 7 и соединенном с ним золотнике 53, что вызывает уплотняющий сенсорный контакт золотника 53 с седлом 13 клапана в месте выхода первого воздушного канала 11 в воздух 5. Путь пружины средства 73 возвратного предварительного натяжения соответствует отрезку х установочного пути золотника 53 между первым седлом 13 клапана и вторым седлом 23 клапана.
1
Представленный на Фиг. 1, Фиг. 2а и Фиг. 2b пневматический электромагнитный клапан 1 сконструирован нормально открытым, так что при нарушении электрического тока I в катушке 31 средство 73 возвратного предварительного натяжения перемещает золотник 53 в открывающее вентиляционный канал 21 первое закрытое положение S. В рамках изобретения предлагаемый изобретением пневматический магнитный клапан может быть выполнен и как нормально закрытый магнитный клапан, например, таким образом, что в обесточенном состоянии средство возвратного предварительного натяжения закрывает вытяжной вентиляционный канал; что может быть реализовано, например, благодаря тому, что второй воздушный канал 21 представляет собой соединенный с источником сжатого воздуха вентиляционный канал, а первый воздушный канал 11 представляет собой соединенный со сбросом для сжатого воздуха вытяжной вентиляционный канал.
1
На Фиг. 3а показана диаграмма путь-время для положения якоря 33 магнита, причем в качестве опорной точки (расстояние 0) служит представленная на Фиг. 2b конечная позиция останова якоря 33 магнита, и показано расстояние от якоря магнита до точки упора. На Фиг. 3b показана диаграмма путь-время золотника 53, причем упомянутая точка 0 представляет собой второе закрытое положение по Фиг. 2а и Фиг. 2b, начиная от которого, показано расстояние золотника 53 относительно второго седла 23 клапана в первом направлении S действия. На Фиг. 3с показана диаграмма электрический ток-время, причем показан электрический ток в катушке 31. Представленные на этих диаграммах цифры следует понимать как качественные сравнительные значения.
Фиг. 3а, Фиг. 3b и Фиг. 3с касаются полностью нормально функционирующего предлагаемого изобретением пневматического электромагнитного клапана. Фиг. 4а, Фиг. 4b и Фиг. 4с касаются дефектного предлагаемого изобретением пневматического электромагнитного клапана.
На Фиг. 3с показан электрический ток I в электромагнитной катушке 31 при приведении в действие пневматического электромагнитного клапана 1, начиная от первого закрытого положения, (Фиг. 1) или нерабочего положения, при котором золотник 53 позиционирован за счет силы средства 73 возвратного предварительного натяжения.
2
С контрольного момента t0 времени (0,1 сек) электрический ток I в катушке 31 возрастает. Как можно видеть на Фиг. 3а и Фиг. 3b, в контрольный момент t0 вплоть до контрольного момента t3 еще не происходит никакого движения золотника. Как можно видеть на Фиг. 3b, движение золотника начинается с контрольного момента t3 времени. Между контрольным моментом t0 и контрольным моментом t3 электрический ток I увеличивается. За счет этого электромагнитная катушка 31 создает становящуюся все большей магнитную силу, которая воздействует на находящийся в закрытом положении (Фиг. 1) якорь 33 магнита. В контрольный момент t3 магнитное перестановочное усилие достаточно велико для того, чтобы преодолевать усилие R предварительного натяжения пружины 73 возвратного предварительного натяжения, которая в закрытом положении (Фиг. 1) воздействует на ведущий элемент 7 и золотник 53, чтобы прижать его к первому седлу 13 клапана. Магнитный актуатор 3 с контрольного момента t3 вызывает движение якоря 33 магнита, ведущего элемента 7 и золотника 53 во втором направлении S действия.
1
Между контрольным моментом t3, который соответствует моменту освобождения золотника 53 от первого седла 13 клапана, и контрольным моментом t1 золотник движется противоположно первому направлению S действия к второму седлу 13 клапана. В контрольный момент t1 времени золотник 53 входит в сенсорный контакт с вторым седлом 23 клапана второго воздушного канала 21, и установочное перемещение золотника 53 заканчивается. Отрезок х пути, который проходится между контрольным моментом t3 и контрольным моментом t1 (Фиг. 3b), соответствует отрезку х пути золотника между первым закрытым положением на первом седле 13 клапана (Фиг. 1) и вторым закрытым положением золотника 53 на втором седле 23 клапана (Фиг. 2а, 2b). После контрольного момента t1 золотник 53 находится в сенсорном контакте с вторым седлом 23 клапана.
Благодаря разъединению якоря 33 магнита от жестко соединенного с золотником 53 ведущего элемента 7 этот якорь магнита и после того, как золотник 53 в контрольный момент t1 достигнет второго закрытого положения (Фиг. 2а), может двигаться дальше в направлении совместного движения, пока якорь 33 магнита в контрольный момент t2 времени не натолкнется на концевой упор 74. Этому движению якоря 33 магнита противодействует возвратное средство 71 ведущего элемента. Как можно видеть на Фиг. 3а в корреляции с Фиг. 3с, после достижения закрытого положения по Фиг. 2а якорь 33 магнита сначала остается в сенсорном контакте с упором 75 ведущего элемента. При необходимости якорь 33 магнита может кратковременно пройти дальше в контрольный момент t1 времени, когда золотник 53 достиг седла клапана. Якорь 33 магнита только после контрольного момента t1 времени медленно освобождается от упора 75, когда электрический ток I в катушке 31 обеспечивает достаточно большую магнитную силу, чтобы преодолевать также возвратное усилие V средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента. Затем якорь 33 магнита оставляет упор 7 5 и движется вплоть до стопора 74 в направлении М совместного движения. Когда достигнуто значение тока I, при котором якорь 33 начинает двигаться, индуктивность системы тотчас возрастает, так как воздушный зазор начинает уменьшаться. Скорость нарастания тока падает и даже меняет свое направление, так как магнитная система теперь индуцирует обратное напряжение. Это ведет к тому, что максимум тока на кривой достигается вскоре после начала движения якоря. После этого ток снова падает до тех пор, пока якорь не упрется в свой механический упор. Излом на кривой характеризует точку соприкосновения якоря.
В контрольный момент t2 якорь 33 магнита достигает своего финального концевого упора на стопоре 74, который образует немагнитный и ненамагничиваемый барьер между якорем 33 магнита и магнитным сердечником 35. Пока течет достаточно большой управляющий ток I, якорь 33 магнита остается в этой конечной позиции (Фиг. 2b). При постоянных параметрах способа (возвратная сила R средства возвратного предварительного натяжения, возвратное усилие V средства предварительного натяжения ведущего элемента, свободный установочный ход s, установочный путь х клапана, энергия приведения в действие (ток U), и т.д.) при совершенно нормально функционирующем пневматическом электромагнитном клапане 1 следует ожидать, что кривая зависимости электрического тока от времени t при каждом цикле приведения в действие проходит однотипно. Могут иметь место меньшие допуски. Характеризующиеся мгновенными балансами сил контрольные моменты t0, t1, t2 и/или t3 при постоянных параметрах процесса наступают воспроизводимо с остающимися одинаковыми для каждого цикла (т.е. для каждой диагностической программы) длительными интервалами относительно друг друга.
Например, можно ожидать, что разность dt во времени между первым контрольным моментом t1 и вторым контрольным моментом t2, при нормально функционирующем пневматическом электромагнитном клапане для различных циклов приведения в действие остаются одинаковыми, при необходимости с учетом незначительных допусков. Было установлено, что по достаточно длительному промежутку времени dt между контрольными моментами t1 и t2 можно сделать вывод о том, что щелевое пространство 34 между якорем 33 магнита и магнитным сердечником 35 достаточно велико, и возможно предусмотренный в нем стопор 7 4 не изношен или по меньшей мере не изношен чрезмерно. Первый излом при t1 (0,15 сек) характеризует соударение уплотнительного элемента с верхним уплотнительным кольцом 13, второй излом при t2 (0,1875 сек) соударение якоря 33 с антиадгезионным диском 74. Такая разность dt во времени между обоими соударениями (37,5 мсек) характерна для нового, еще не изношенного клапана. Если же вследствие износа ход уплотнительного кольца изменяется (эффект осадки), то изменяется также и разность dt во времени между обоими изломами.
По разности во времени между контрольным моментом t1 и контрольным моментом t3 и/или между контрольным моментом t1 и контрольным моментом t0 можно определять, является ли установочный ход х золотника 53 между первым седлом 13 клапана и вторым седлом 23 клапана свободным, а движение золотника 53 и ведущего элемента беспрепятственным. Если разность во времени между контрольным моментом t1 и контрольным моментом t0 и/или t3 поразительно мала, например, если эта разность во времени не достигает минимального порогового значения, то можно сделать вывод о разрушении одной из пружин. Если же интервал между контрольным моментом t1 и контрольными моментами t0 и/или t3 поразительно длителен, например, лежит выше максимального порогового значения, то можно сделать вывод о том, что какое-то препятствие мешает движению ведущего элемента и/или золотника 53, или на ведущий элемент 7 действует нежелательно высокая сила трения.
На Фиг. 4а, Фиг. 4b и Фиг. 4с показаны диаграммы дефектного пневматического электромагнитного клапана. Разность dt* во времени между контрольными моментами t1 и t2 поразительно уменьшилась. Эта разность dt* во времени меньше порогового значения. Это пороговое значение может быть заданным пороговым значением. Пороговое значение при осуществлении способа диагностики может устанавливаться путем сравнения с эталонной разностью dt во времени одного или нескольких предыдущих циклов диагностических программ. Ход х золотника 53 увеличился вследствие износа, а ход s якоря, напротив, остался одинаковым. Разность dt* во времени между остановом уплотнительного элемента 53 и остановом якоря критически сократилась от dt (37,5 мсек) до dt* (19,1 мсек). Если при измерении получены сильно отклоняющиеся значения, как показано на Фиг. 4а, Фиг. 4b и Фиг. 4с, то необходима замена пневматического электромагнитного клапана.
На Фиг. 5 представлен другой предлагаемый изобретением магнитный клапан 1а. Еще один предлагаемый изобретением магнитный клапан lb представлен на Фиг. 6а - Фиг. 6d. На Фиг. 8 показан другой альтернативный вариант выполнения предлагаемого изобретением магнитного клапана 1с в первом, нижнем закрытом положении. Электромагнитный исполнительный элемент 3 и привязка выполненного как исполнительная штанга 7 ведущего элемента к исполнительному элементу 3 с помощью средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента и средства 73 возвратного предварительного натяжения соответствуют описанным выше, вследствие чего в отношении них делается отсылка к предыдущим вариантам выполнения.
Магнитные клапаны 1а и 1b реализованы как пятиходовые двухпозиционные клапаны. Первая ступень клапана, содержащая первый золотник 53 в первой воздушной камере 5 с первым воздушным каналом 11, вторым воздушным каналом 21 и каналом 51 управляющего воздуха, в магнитных клапанах 1а и 1b выполнена такой, как описано выше в отношении магнитного клапана 1. Вторая ступень клапана образована соответственно первой ступени клапана. Т.е. вторая воздушная камера 105 соответствует первой воздушной камере 5; четвертый воздушный канал 111 образован соответственно первому воздушному каналу 11 и пятый воздушный канал 121 - соответственно второму воздушному каналу 21; и каждая воздушная камера 5 или 105 имеет по одному каналу 51 или 151 управляющего воздуха. В отношении конструктивного выполнения и функциональности второй ступени клапана в остальном делается отсылка к вышеизложенному в связи с первой ступенью клапана у показанного на Фиг. 1, Фиг. 2а и Фиг. 2b магнитного клапана 1.
В данных вариантах выполнения первый воздушный канал 11 и пятый воздушный канал 121 пневматически подключены параллельно и соединены с общим питающим каналом 110. Питающий канал 110 может быть подключен к источнику сжатого воздуха (не представлен). Пятый воздушный канал в этом случае является вентиляционным каналом 121. Второй воздушный канал 21 и четвертый воздушный канал 111 могут быть подключены пневматически параллельно и соединены с атмосферой или с другим сбросом давления. Четвертым воздушным каналом в этом случае является воздухоотводный канал 111. Первый канал 51 управляющего воздуха может быть соединен с первой камерой управляющего воздуха пневматического привода двойного действия (не представлен). Второй канал управляющего воздуха 151 может быть соединен со второй камерой управляющего воздуха пневматического привода двойного действия (не представлен).
1
2
1
Магнитные клапаны 1а и 1b отличаются от вышеописанного магнитного клапана 1, по существу, только наличием второй ступени клапана, содержащей дополнительный золотник 153 во второй воздушной камере 105 со связанными с ней дополнительными воздушными каналами 111, 121 и 151, два из которых могут селективно закрываться вторым золотником 153. Магнитные клапаны 1а и 1b отличаются друг от друга, по существу, только их соответствующей связью 17 0 или 171 между обоими золотниками 53 и 153, которые расположены на одной и той же исполнительной штанге 7. Благодаря тому, что оба золотника 53 и 153 закреплены на одной и той же исполнительной штанге 7, первый золотник 53 и второй золотник 153 движутся в одном и том же направлении S действия или S. Эти золотники 53 и 153 могут двигаться в первом направлении S действия так долго, пока они оба не окажутся в первом закрытом положении (не представлено). В первом закрытом положении второй золотник 53 находится в уплотнительном сенсорном контакте с седлом 13 клапана первого воздушного канала 11, а второй золотник 153 находится в уплотнительном сенсорном контакте с седлом клапана 113 четвертого воздушного канала 111.
2
Золотники 53 и 153 могут двигаться вместе во втором направлении S действия до тех пор, пока они оба не окажутся во втором закрытом положении (Фиг. 5, Фиг. 6а и Фиг. 6b). Во втором закрытом положении первый золотник 53 находится в уплотнительном сенсорном контакте с седлом 23 клапана второго воздушного канала 21, и второй золотник 153 находится в уплотнительном сенсорном контакте с седлом 123 клапана пятого воздушного канала 121.
В представленном на Фиг. 5 магнитном клапане 1а первый золотник 53 и второй золотник 153 соединены с одной и той же исполнительной штангой 7. Между золотниками 53 и 153 исполнительная штанга 7 выполнена как жесткая связь 170. Эта жесткая связь 170 обладает постоянной в направлении М совместного движения упругостью, которая соответствует упругости исполнительной штанги 7 между первым золотником 53 и якорем 33 магнита и/или средством 71 предварительного натяжения ведущего элемента. Исполнительная штанга 7 в направлении М совместного движения, начинаясь у средства 71 предварительного натяжения ведущего элемента и средства 73 возвратного предварительного натяжения, за первым золотником 53 вплоть до второго золотника 153 изготовлена как единое целое в виде массивной штанги с постоянным поперечным сечением и из остающегося одинаковым материала. При выходе из закрытого положения оба золотника 53 и 153 освобождают соответствующие седла 13 и 113 или 23 и 123 клапана одновременно или почти одновременно. При достижении закрытого положения оба золотника в неизношенном состоянии одновременно занимают седла 13 и 113 или 23 и 123 клапана (первый и четвертый контрольный момент практически совпадают).
В показанном на Фиг. 6а - Фиг. 6d магнитном клапане 1b первый золотник 53 и второй золотник 153 соединены с одной и той же исполнительной штангой 7. Между золотниками 53 и 153 исполнительная штанга 7 на отдельных участках выполнена с упругой связью 171. Эта упругая связь 171 имеет повышенную упругость по сравнению с упругостью ведущего элемента между первым золотником 53 и якорем 33 и/или средством 71 предварительного натяжения ведущего элемента. Повышенная упругость может быть реализована, например, посредством выемки в материале, такой как радиальное сужение с внешней стороны, или проходящего поперечно сквозь исполнительную штангу отверстия (не показано). Эта упругая связь 171 может быть реализована посредством участка из другого, более упругого материала, чем материал остального ведущего элемента. Эта упругая связь 171 может быть образована, например, посредством отрезка пружины сжатия и/или растяжения. Например, магнитный клапан 1b может иметь такие размеры, что эта упругая связь 171 во втором закрытом положении (Фиг. 6а и Фиг. 6b) натянута и упруго растянута, и что эта упругая связь 171 в первом закрытом положении ослаблена или натянута при сжатии и упруго сжата.
1
1
Начиная от второго закрытого положения (Фиг. 6а и Фиг. 6b), золотники 53 и 153 магнитного клапана 1b могут двигаться в первом направлении S действия, причем сначала первый золотник 53 (Фиг. 6с), а затем и второй золотник 153 (Фиг. 6d) освобождают соответствующие седла 23 или 123 клапана. При дальнейшем движении в первом направлении S действия вплоть до первого закрытого положения сначала второй золотник 153, а затем первый золотник 53 могут входить в уплотнительный сенсорный контакт с соответствующим седлом 13 или 113.
2
2
Начиная от первого закрытого положения, золотники 53 и 153 магнитного клапана lb могут двигаться во втором направлении S действия, причем сначала первый золотник 53, а затем второй золотник 153 освобождают соответствующее седло 13 или 113 клапана (третий контрольный момент t3 по Фиг. 7). При дальнейшем движении во втором направлении S действия вплоть до второго закрытого положения (Фиг. 6а и 6b) сначала (четвертый контрольный момент t4 по Фиг. 7) второй золотник 153 (Фиг. 6с), а затем (первый контрольный момент t1) входят в уплотнительный сенсорный контакт с соответствующим седлом 23 или 123 клапана. При дальнейшем возрастании силы якорь 33, как описано выше, может подниматься относительно упора 75 в направлении М совместного движения до тех пор, пока этот якорь 33 не упрется в стопор 74 (Фиг. 6а; второй контрольный момент t2 по Фиг. 7).
На основании первой разности dt во времени останова и второй разности dt' во времени останова между t4 и t1 или dt'' между t4 и t2 может определяться состояние износа второй ступени клапана.
В представленном на Фиг. 8 магнитном клапане 1 с несколько, в частности, однотипных золотников 53, 53' соединены с одной и той же исполнительной штангой 7''. Показанный на Фиг. 8 магнитный клапан 1 с электрически и механически работает, по существу, так, как вышеописанный магнитный клапан 1а по Фиг. 5. При выходе из закрытого положения оба золотника 53 и 53' освобождают соответствующие седла 13 и 13' или 23 и 23' клапана одновременно или почти одновременно. При достижении закрытого положения оба золотника 53 и 53' в неизношенном состоянии одновременно занимают седла 13 и 13' или 23 и 23' клапана (первый и четвертый контрольный момент практически совпадают).
Л
Магнитный клапан 1 с отличается от магнитного клапана 1а тем, что золотники 53 и 53' магнитного клапана 1 с в осевом направлении исполнительного элемента не смещены коаксиально относительно друг друга, как золотники 53 и 153 магнитного клапана 1а. Исполнительная штанга 7'' раздваивается между общим электромагнитным исполнительным элементом 3 и золотниками 53 и 53''. Исполнительная штанга 7'' на своем обращенном к клапану конце имеет два зубца 173, 173'. На Фиг. 8 левый зубец 173 несет на себе левый золотник 53, а правый зубец 173' несет на себе правый золотник 53''. Золотники 53 и 53' смещены поперек оси симметрии электромагнитного исполнительного элемента 3, в частности, параллельно. По меньшей мере один или несколько зубцов 173, 173' в области разветвления исполнительной штанги 7' реализуют упор 75. В магнитном клапане 1с может быть предпочтительным, чтобы оба нижних воздушных канала 11 и 11' были приточными воздуховодами. Эти воздушные каналы 11 и 11' могут быть соединены с одним и тем же или с различными источниками сжатого воздуха. Оба верхних воздушных канала 21, 21 могут быть вытяжными вентиляционными каналами, которые, как показано на Фиг. 8 в качестве примера, и могут выходить в один общий атмосферный канал 120. Левый канал 51 управляющего воздуха и правый канал 51'' управляющего воздуха могут быть соединены с различными или с одним и тем же пневматическим установочным клапаном. Например, оба канала 51 и 51'' управляющего воздуха могут быть соединены с одной и той же пневматической активной камерой (камера управляющего воздуха) пневматического исполнительного привода. Альтернативно правый канал 51 управляющего воздуха и левый канал 51'' управляющего воздуха могут быть соединены каждый с соответствующей пневматической активной камерой различных, в частности, подключенных и ориентированных параллельно пневматических исполнительных приводов.
Ясно, что магнитный клапан 1 с может иметь дополнительные зубцы с дополнительными золотниками. Альтернативно или дополнительно этот магнитный клапан 1 с по Фиг. 8 может содержать вдоль каждого отдельного зубца 173 и/или 173' исполнительной штанги дополнительные ступени клапанов, как в вариантах выполнения магнитного клапана 1а по Фиг. 5 или магнитного клапана lb по Фиг. 6а - Фиг. 6d.
Признаки, раскрытые в вышеизложенном описании, на чертежах и в пунктах формулы изобретения, как по отдельности, так и в любой комбинации могут иметь значение для реализации данного изобретения в различных вариантах выполнения.
Перечень ссылочных обозначений
1 магнитный клапан
3 электропневматический исполнительный элемент
5, 5', 105 воздушная камера
7, 7' исполнительная штанга
11, 11', 121 вентиляционный канал
13, 13' первое седло клапана
21, 21', 111 вытяжной вентиляционный канал
23, 23' второе седло клапана
31 катушка(магнита)
33 якорь магнита
34 щелевое пространство
35 магнитный сердечник
51, 51', 151 канал управляющего воздуха
53, 53', 153 золотник
71 средство предварительного натяжения ведущего элемента
73 средство возвратного предварительного натяжения
74 немагнитный стопор
75 упор
110 питающий канал
120 атмосферный канал
113, 123 седло клапана
170 жесткая связь
171 упругая связь
173, 173' зубцы
I управляющий ток
М направление совместного движения
V сила предварительного натяжения ведущего элемента R сила возвратного предварительного натяжения
51 первое направление действия
52 второе направление действия
dt, dt*, dt', dt'' разность во времени
s свободный установочный ход
t0, t1, t2, t3, t4 контрольные моменты x установочный путь клапана.