Steuerventile und ihre Funktion beurteilen

11-01-2013 | Kalibrierung

Welche Arten gibt es, und auf welche Eigenschaften lassen sie sich überprüfen?

Zur Beurteilung von Steuerventilen und ihrer Funktionsfähigkeit ist es wichtig, dass Sie die verschiedenen Ventilarten und Überprüfungsmöglichkeiten kennen. Bei Absperrventilen zum Öffnen und Schließen ohne analoge Steuerung sind die Tests recht einfach. Es muss nur überprüft werden, ob die Ventile öffnen und schließen. Öffnen sie vollständig? Schließen sie vollständig? Die Überprüfung beschränkt sich hauptsächlich auf das Beobachten des Ventils: Was passiert, nachdem es betätigt wurde?

Steuerventile sind deutlich komplizierter als Absperrventile

Steuerventile öffnen und schließen proportional. Die Zufuhr variiert abhängig vom jeweiligen Messspannen-Prozentwert des 4–20-mA-Signals. Durch das Beobachten der Ventilposition gemäß Stellungsanzeige weiß der Techniker oder Bediener ungefähr, wie stark die Zufuhr bei einer bestimmten Einstellung während des Betriebs ist. Daraus lässt sich jedoch nicht sicher ableiten, wie sich das Ventil unter dynamischen und veränderten Bedingungen verhält.

Bei den aufwändigsten Ventilfunktionstests muss das Ventil entfernt und mithilfe eines „Ventilprüfers“ auf seine Funktionsfähigkeit überprüft werden. Dabei handelt es sich um ein kostspieliges Testgerät, das zumeist nicht im Angebotsumfang von Servicewerkstätten enthalten ist. Eingesetzt wird der Ventilprüfer oft nur vom Ventilhersteller vor dem Versand oder von hochqualifizierten Außendiensttechnikern. Mit diesem Gerät lassen sich zwar äußerst umfassende Prüfungen durchführen, doch für die meisten Servicewerkstätten ist der Einsatz nicht praktikabel.

Präzisions-Stromschleifenkalibrator Fluke 709H mit HART-Kommunikations- und Diagnosefunktionen

Was benötigt nun ein Techniker zur Prüfung eines Steuerventils?

Welcher Test ist so aussagekräftig, dass er als Grundlage dienen kann? Da die meisten Ventile mit einem 4–20-mA-Eingangssignal arbeiten, kann jedes beliebige Messgerät mit einem mA-Ausgangssignal das mA-Eingangssignal zur Betätigung des Steuerventils innerhalb seines gesamten Betriebsbereichs übermitteln. Beim Anlegen eines 3,8-mA-Eingangssignals an ein normal geschlossenes Ventil sollte das Ventil fest geschlossen sein. Es sollte bei 4,0 mA weiterhin geschlossen sein und sich bei 4,2 mA leicht aus seiner Position bewegen. Am anderen Ende des Betriebsbereichs, bei 19,8 mA, sollte es fast vollständig geöffnet sein. Bei 20,0 mA sollte es vollständig geöffnet und bei 20,2 mA ganz offen (am Anschlag) sein. Durch derartige Prüfungen lässt sich zwar feststellen, ob das Ventil ordnungsgemäß öffnet und schließt; doch seine Funktion über den gesamten Steuerbereich kann auf diese Weise nicht überprüft werden.

Viele Ventile, auch sogenannte Smart-Ventile, sind mit einem Feedbackelement ausgestattet, das die tatsächliche Position als „x % geöffnet/geschlossen“ ausgibt. Die Ausgabe erfolgt über ein 4–20-mA-Signal oder eine digitale HART- Variable, die 0 bis 100 Prozent des Steuerventil-Betriebsbereichs entspricht. Ob ein Steuerventil innerhalb des gesamten Bereichs ordnungsgemäß funktioniert, können Techniker erkennen, indem sie ein variables mA-Signal anlegen und gleichzeitig das mA-Ausgangssignal oder die prozentuale Messspannenangabe überwachen. Durch gleichzeitige Erfassung des angewandten mA-Signals und des mA-Ausgangssignals bzw. PV-Messspannen-Prozentwerts lässt sich die Ventilfunktion dokumentieren. Diese dokumentierten Prüfungen und Ergebnisse werden häufig als „Ventilsignatur“ bezeichnet. Der Ausgang sollte das angelegte mA-Eingangssignal gleichmäßig widerspiegeln. Abweichungen vom angewandten Signal können auf ein anomales Ventilverhalten hindeuten.

Mit der richtigen Wartungsstrategie Kosten sparen

Jim Shields, Produktmarketing-Manager bei Fluke, weist darauf hin, dass eine erstklassige Strategie für die Wartung von Steuerventilen zu Kosteneinsparungen beitragen kann. Zum einen müssten nicht mehr so viele Ventile aus dem laufenden Prozess entnommen werden, zum anderen würde das Ausfallrisiko sinken. Sein Ratschlag lautet wie folgt: Zur praktischen Umsetzung muss der Ausgangszustand eines als funktionsfähig bekannten Ventils dokumentiert werden. Die Dokumentation sollte nach Möglichkeit bei Inbetriebnahme oder nach einer Überholung des Ventils erfolgen. Der Techniker hält die Signatur des Ventils im Idealzustand fest, stellt das mA-Ausgangssignal oder den Messspannen-Prozentwert gegenüber dem angelegten Eingangssignal dar und erfasst diese Informationen unter Angabe der Uhrzeit, der Ventilkennzeichnungsnummer und des Durchführungsdatums. Die Informationen können mithilfe einer Kalibrierungsmanagementsoftware verwaltet werden.

Nachdem die Signaturen des Ausgangszustands der Ventile erfasst wurden, muss ein Wartungsintervall für die Funktionsprüfung der Ventile festgelegt werden. Als Ausgangspunkt hierfür können die bisherigen Wartungsintervalle herangezogen werden. Falls noch kein Wartungsintervall festgelegt wurde, muss die Belastung des Ventils in seiner Umgebung beurteilt werden. So gilt etwa der Grundsatz: Je stärker ein Ventil beansprucht wird, umso kürzer muss der Abstand zwischen den Wartungen sein. Zunächst empfiehlt sich ein Intervall von sechs Monaten bis zu einem Jahr (sofern die Ventile nicht besonders stark beansprucht werden). Einige Vorrichtungen, die in Sicherheits- und Abschaltsystemen installiert sind, müssen unabhängig vom Grad der Beanspruchung alle drei Monate überprüft werden.

Nach Erfassung der Ausgangssignaturdaten müssen die Ventile in den vorgegebenen Abständen geprüft und die Signaturen dokumentiert werden. Anschließend können die Signaturen mit den Ausgangssignaturen verglichen werden, um Veränderungen bei der Funktionsfähigkeit festzustellen. Entwickelt sich die Ausgangsreaktionskurve in Richtung einer nicht-linearen Signatur oder verlaufen die Kurven anomal, ist das Ventil möglicherweise von einer übermäßigen Haftreibung oder Hysterese betroffen und muss daher gegebenenfalls zu Wartungszwecken ausgebaut werden.