安全阀
本发明涉及一种安全阀，其带有用于形成控制电压的电子控制单元、电力流体式的前级和流体力学式的主级，所述电力流体式前级具有借助控制电压可在工作位置与安全位置之间操作的压电弯曲转换器，其中，所述压电弯曲转换器根据位置影响二次控制流体流(或称为次级控制流体流)的流量(或者说流通、流动)，所述主级带有用于影响一次工作流体流(或称为初级工作流体流)的流量(或者说流通、流动)的影响装置(或称为干预装置)，其中，能够借助通入主级的控制室中的二次控制流体流来操作所述影响装置。
该类型的两级式安全阀由现有技术已知。所述安全阀适用于以特殊方式特别高效且精准地操作流体开关、控制和调节设备，并且能够尤其模块化地构造。在此，尤其确保将流体介质流被划分成用于操作主级的二次控制流体流和一次工作流体流。在此分别为每个流体流或者说介质流都配备了影响装置(阀)。在本发明所基于的该类型的安全阀中，通过压电弯曲转换器构成前级的影响装置，所述压电弯曲转换器直接或间接作为用于独立的阀元件的促动器来控制朝向下游的主级的控制室方向的控制流体流。主级的影响装置有利地是流体操作的阀元件，利用所述阀元件以合适的方式控制一次工作流体流的流量。
这两个影响装置的区别主要在于分别为其输入的操作能量的类型，其方式在于，前级的影响装置以电学方式被操作，而主级的影响装置以流体方式(通过二次控制流)被操作。
通过适当选择前级与主级之间的能量转换比，能够实现的是，借助明显低能的电控制信号(控制电压)影响高能的一次工作流体流。在此，通过二次流体流的压力介质引入用于操作主级的影响装置所需的能量差，所述压力介质根据前级的压电弯曲转换器的开关状态以合适的方式被导入主级的控制室中或被阻挡。
由此，这种以流体方式先导控制的系统的特殊优点在于，无论主级实际需要多少能量来影响一次工作流体流，由控制单元和前级组成的电力流体式的界面仅提供有限的电操作能来影响二次控制流体流。
这种电力流体式的界面原则上可以基于不同的机电转换器原理(例如机电式、磁致伸缩式、电热式、电流变式、电容式、压电式等)。迄今针对工业应用而言，已经验证了用于前级的电磁和压电式促动机构。后者在能效方面被证明是特被有利的，因此本发明以此为基础。
作为需要较高的操作路径以及需要提供较高的最小促动力的应用场合中的压电式促动器，具有所谓的压电弯曲转换器被证明特别有利，所述压电弯曲转换器带有条状或板状的压电活性材料，所述压电活性材料力配合地布置在面状实施的低压缩性的非压电活性载体层上。在与力配合连接的低压缩性的载体层的交互作用下，通过压电活性材料的电激发在该压电活性材料中感生的可逆设计变化导致了压电弯曲转换器的几何挠曲，所述压电弯曲转换器由此通过控制电压的加载能够从(通常表示安全位置的)静歇位置转换至(通常表示工作位置的)偏转位置。为了优化的功率使用，面状的压电弯曲转换器通常纵长且狭窄地实施。在此，力导出通常沿着压电弯曲转换器的纵向方向进行，其中，压电弯曲转化器的较短实施的横向延伸部支持力形成(Kraftaufbau)。
压电材料在其体积/形状变化性能方面具有在物理上狭窄的界限。通常，在给定的条件下能够在压电活性的高能材料中引发应变，所述应变低于静歇尺寸的1/10000。这在制造压电弯曲转换器的范畴内在制造方面要求最高规格的精度。压电活性材料的晶体结构和/或几何尺寸中或压电弯曲转换器的层结构中的细微误差就已经会导致相应的弯曲转化器不适宜以必要的安全性(持续)用于安全性严苛的应用中。此外在压电材料具有相对较高的材料成本之后，出于经济原因需要相应谨慎的处理所述使用的材料。
此外，在此背景下应说明的是，压电系列产品普遍需要应付有限的功率储备，也就是说，压电弯曲转换器尤其在该类型的安全阀中通常在制造技术上可实现的功率极限的边缘处游走。
迄今这两种方案(或者说策略)被证实为特别成功地确保必要的产品性质。
第一方案在制造方面使得可能导致功率损耗的所有因素最小化，尤其通过使用在整个生产工艺链上的精确方法和适当的质量保证措施，从而在满足确定功率标准的压电弯曲转换器的制造范围内尽可能少地出现残次品。由于在质量保证的范围内也需考虑：该类型的安全阀及其压电弯曲转换器必要时还在极端环境条件下(例如在适当规定的额定运行范围的边缘)也能使用，并且由于在持续运行中根据环境条件(例如与温度和/或与气体氛围相关)有时会形成表现差别迥异的松弛效应或老化效应，因此即使制造方法谨慎小心，当前也仍无法避免一定程度的残次产品。
第二种方案致力于通过产品内部状态诊断及其优选电气补偿来单独补偿因生产和/或磨损导致的性能限制，其方式在于，例如压电弯曲转换器或包含压电弯曲转换器的前级配备额外的传感装置，例如由文献DE 10 2016 213 228 A2已知的。
通常，利用上述这两种方案及其组合都可以在广泛的应用领域中充分利用技术上的性能极限。
第一方案需要在生产和质量保证方法和工艺中的更高的投资费用，其中，即使生产方法谨慎小心，最终仍不能避免一定程度的不可忽视的产品残次，尤其是当如该类型安全阀在通常情况下那样应确高度可靠性时。
相对地，在第二方案中显著提高了生产方面的制造费用成本，因为为此需要在该类型安全阀的前级中使用额外的传感装置、数据存储器或评估装置。由此通常导致与最小化的且降低至必要限度的方案的生产方法形成背道而驰的矛盾。
在此背景下，本发明所要解决的技术问题在于，改进该类型的且尽可能可通用的上述类型的安全阀，从而通过相对易于实施的安全功能提高安全阀在运行过程中的可靠性。
所述技术问题通过权利要求1所述的安全阀解决。除了上述特征，所述安全阀的特征还在于，所述控制单元设置用于全自动地且在经历预设的时间间隔之后迭代地重复实施电力流体式的前级的功能测试，其中，在功能测试的范畴内、在适当改变控制电压的情况下、实现压电弯曲转换器的位置的这样的短暂的和/或略微的变化，即使得虽然一方面能够在确定压电弯曲转换器所实际完成的偏转运动的同时、检查该压电弯曲转换器的正确工作方式，然而另一方面一次工作流体流的流量(或者说流通、流动)根本不会被主级影响。
利用本发明，即使针对安全性严苛的应用而言,也可以在根据本发明的安全阀中使用这种压电弯曲转换器，所述压电弯曲转换器由于与制造技术方面所期望的标准参数略有偏差而迄今被认为是废品，因为它们处于为确保连续运行所需保证的产品性能的边缘。由于根据本发明的安全阀可以鉴于根据本发明实施的功能测试而始终保证：被用作前级的执行器的压电弯曲转换器要么正常工作，要么被识别出压电弯曲转换器方面可能存在的或即将发生的故障，从而可以采取相应的对策(例如更换根据本发明的安全阀的前级或整个安全阀)。
如果在一个或多个功能测试中应出现与压电弯曲转换器的额定功能的相对偏差，所述偏差例如可能出现于压电弯曲转换器功能的负面变化/恶化，操作人员可以通过适当发出的报警或报错信号告知：安全阀的正常功能已经不复存在或者即将不复存在。此外，在必要时还可以通过迭代实施的功能测试的测量结果的相应数据存储记录：安全阀的前级或构造在安全阀中的压电弯曲转换器尚处于完好状态。
如果如上所述，在根据本发明的可重复的功能测试范畴内作出有关压电弯曲转换器的正常功能的推断，那么在此尤其通过合适的测量来检查压电弯曲转换器的因控制电压变化所期望的偏转运动是否处于预定的正常范围内。在本申请的范畴内，如下将详述的，能够以特别优选的方式借助在压电活性材料中本就存在的传感性质实现对压电弯曲转换器的真实运动特性或者说实际完成的偏转运动的测量，而无需在具备压电弯曲转换器的前级中存在额外的传感装置，这在制造技术方面是有利的。
原则上，在本发明的范畴内还提到，对安全阀实施迭代重复的功能测试原则上是广泛已知的。然而自此至少涉及例如在现有技术中根据文献WO 01/59346Al、WO 2008/005967A2或WO 2016/149590Al所谓的“Partial Stroke Tests”或者说“部分行程测试”，利用所述部分行程测试始终整体检查安全阀在一次工作流体流影响下的功能性。此外，由文献WO 2008/000459A1已知一种具有多个用作促动器的过程调节元件的流体机械，其中，第一过程调节元件的功能在不影响下游过程参数的情况下被测量，其方式在于，在功能测试过程中两个过程调节元件反向地相互调节，从而基本上消除调节下游过程参数的影响，这在此处所要保护的安全阀(具有仅一个发挥促动器功能的压电弯曲转换器)中是不可能的。
在本发明的一种有利的第一实施方式中尤其可以规定，通过合适地规定控制室的体积、给定的压力比例和/或为操作影响装置所需的能量，流体力学式的主级的影响装置仅利用如此大的时间延迟、被流入控制室中的二次控制流体操作，从而使得压电弯曲转换器在功能测试的范畴内通过控制电压的短暂关断而从其工作位置运动至其安全位置并且从其安全位置重新反向运动至其工作位置，而在此期间不会对通过主级的一次工作流体流的流量造成影响。
换言之，有利地设计根据本发明的安全阀，从而将前级和主级的各开关或反应时间确定为，压电弯曲转换器在功能测试的过程中能够快速(完全)从其工作位置切换至安全位置并且重新复位切换，以至于为此所需的时间范围小于预设的主级延时，从而使主级或其影响装置不会因压电弯曲转换器的开关状态的短暂变换而被操作，并且因此不会通过安全阀对一次工作流体产生影响。
在第二实施方式中可以规定，在功能测试期间压电弯曲转换器通过控制电压的适当降低仅从其工作位置略微偏转，并且具体而言其方式在于，由此形成的对主级的控制室中的压力的影响保持得较低，从而即使达到或超过主级的延时也仍不会导致主级的影响装置的、影响一次工作流体的流量的操作。而且通过该方式，可以在实现压电弯曲转换器的实际偏转运动的检测的同时，还得出在功能测试范围内所需的有关压电弯曲转换器或主级的功能正常的结论，而无需在此操作主级或其影响装置。
原则上关于本发明还应注意的是，根据本发明的安全阀可以根据相应的客户要求而在其具体设计方式中大幅变化并且具有不同的综合性或者说复杂性。
原则上设计为，实现二次控制流体与一次工作流体流之间的介质隔离。为此实现的是，一次流体与二次流体在种类、流量或压力方面都无需相同。通过合适的配置能够利用优选地能量优化的二次控制流体流来控制能量方面差别很大的一次流体流。
将流体操作装置划分成前级和主级，能够以结构链系统的方式将设计相同的电子控制单元和相同(配备压电弯曲转换器)的前级与根据应用(尤其在发挥主级的影响装置作用的工作阀的基本功能方面)适当选择的主级相结合。通过带有主级的常开(NO)或常闭(NG)影响装置的灵活的系统配置，可以在整体结构中(与压电弯曲转换器的预设的工作和安全位置配合作用)反映在电能载体或流体能载体故障时规定的安全特性。这尤其对于在安全至关重要的应用中的使用来说是关键的，在故障情况下所述应用必须在没有辅助能量的情况下采取规定的安全状态。
如在现有技术中，根据发明的安全阀在正常运行中由此可以被用作持续操作的切换阀，所述转换阀在安全情况下复位至期望的安全位置。利用本发明持续地改进该类型阀门的安全特征值。这尤其由此实现，即，可以在运行中在被操作的安全阀上实施根据本发明执行的功能测试，其中，在每次迭代的功能测试期间既不会导致过程妨碍也不会导致安全装置的暂时失效。
在使用上述由具备压电弯曲转换器的前级(带有优选较短的开关时间)连同后置的主级(具有开关延时)组成的两级式阀结构时，通过连接两级的体积/压力比例的适当配置形成了稳定的与时间相关的过渡区域，在所述过渡区域中操作压电弯曲转换器的控制电流的暂时波动仍保持不会对主级或受此影响的一次流体流产生效果。
在用于诊断目的的功能测试过程中可用的时间上的过渡区域的最大的时间间隔(或者说时间段)由需在功能测试期间采用的前级的切换过程和延时计算得出，在所述延时之后发生下游的、改变输入信号的工作级。该过渡区域构成被输入的二次控制流体流、主级的控制腔的无效容积以及为操纵主级的影响装置所需的操作能量之间的直接关联。所述最后两个参数自身又与分离的一次流体流与二次流体流之间的流体传输比形成关联。所适用的普遍的关联在于，随着流体传输比的增加，时间上的过渡区域也增大，这一点可以在本发明的范畴内予以适当考虑。
在本发明的范畴内可以以特别优选的方式和方法设置安全阀的模块化构造，其中，电子控制单元、电力流体式的前级和/或流体机械式的主级分别实施为独立的模块。在此，则仅需将控制单元以合适的方式与前级或者说包含在前级中的压电弯曲转换器电接触，并且为从前级传导至主级的控制腔的二次控制流体流提供合适的流体路径。在此，每个模块都具有优选自身的壳体，所述壳体在根据本发明的安全阀的组合结构中优选相邻地布置。用于前级与主级流体导通连接的流体路径则可以有利地借助相互适配的壳体穿孔构成。
此外，被证明特别有利的是，电力流体式的前级除了为给压电弯曲转换器供应控制电压所需的电导体之外不包含其他电子部件和/或电气部件，由此尤其能够将根据本发明的安全阀的单位成本保持在合理的范围内。
此外，在本发明的一种优选的设计方式中可以规定，控制单元设计用于，为压电弯曲转换器在以诊断为目的的功能测试过程中、通过也传导控制电压的导体、调制可评估的电测量信号、尤其具有合适振幅的交变电压。在此则还可以有利地规定，控制单元设计用于检测和评估由测量信号引发的应答信号，以便由此确定压电弯曲转换器所实际完成的偏转运动。
所述测量信号在此有利地是交变电压，从而在评估测量信号与作为应答信号所感生的交变电流之间的相移的情况下，确定压电弯曲转换器的阻抗变化，所述阻抗变化与压电弯曲转换器的实际偏转运动相对应。
本发明的优选的设计方式基于以下构思：压电弯曲转换器在远离或接近机械接触点时较之自由活动的中间位置改变其阻抗。出于诊断目的，由此尤其可以为压电弯曲转换器调制在其振幅方面(远)低于为使压电弯曲转换器偏转所需的阈值电压的交变电压，并且同时降低负责偏转的直流电压信号(控制电压)。交变电压的曲线与由此感生的交变电流之间的相移变化则以特别简单的方式发生，并且为此不需要前级中额外的传感装置明确无误地证明在压电弯曲转换器中实际发生了偏转运动，或者说不需要由此得出结论：在什么时刻压电弯曲转换器采取或者说离开(通常由止挡规定的)工作位置和/或安全位置。
在完成控制电压的(暂时)偏转或关断之后且达到主级的影响装置的临界的延时之前，构成主级的先导阀随后重新被用于占据工作位置所需的控制电压加载，并且安全阀由此在不会反作用于主级或由此影响的一次工作流体流的情况下复位至额定运行模式。
但在本发明的范畴内显然也可以采用其他测量方法来确定压电弯曲转换器的实际完成的偏转运动，其中，尤其还考虑测量压电弯曲转换器的电容和/或谐振特性的变化，这同样可以在不借助前级中的额外的传感器元件的情况下完成。原则上显然其他可电学测量的、根据位置改变的影响参数也能够以简单的方式被评估，以便确定压电弯曲转换器的实际完成的偏转运动。
在发明的另一优选的改进方式中可以规定，控制单元此外还设计用于根据代表压电弯曲转换器的质量的质量指标来确定两个功能测试之间的时间间隔的长度，所述质量指标本身被存储在优选配属于控制单元(也就说优选布置在控制单元内部)的存储单元中。
所述质量指标可以例如是质量控制范围内的或在校准过程中所确定的有关前述压电弯曲转换器的质量的测量值，从而可以针对质量上高品质的弯曲转换器规定在两个先后依次的功能测试之间更长的时间间隔，而针对质量上相对较差的弯曲转换器则规定在每两个功能测试之间较短的时间间隔。在本发明的范畴内，有利地，两个功能测试之间的正常时间间隔通常可以在8小时至72小时之间的范围内。
此外还有利的是，控制单元设置用于，根据既往功能测试的测量值动态地调整质量指标(和由此形成的在两个功能测试之间的时间间隔的长度)。
因此，如果在一个或多个之前实施的功能测试中得知：为使压电弯曲转换器保持在工作位置中所需的控制电压被提高，或者说从工作位置开始，控制电压的略微下降就足以使得压电弯曲转换器从工作位置向安全位置运动，或者控制电压的更强烈的下降才会引发该运动，可以缩短两个功能测试之间的时间间隔。这种性质归因于压电弯曲转换器的质量的恶化。
此外还可以以特别符合目的的方式规定，控制单元设计用于，根据既往的功能测试的测量值(和/或根据质量指标)动态地调整为操作压电弯曲转换器所需的控制电压。
这也可以用于降低通常在连续应用中运行的压电弯曲转换器的运行负载，其方式在于，针对高质量的压电弯曲转换器(其中微小的控制电压就足以引发最大偏转)，将设计用于保持偏转的工作位置的控制电压有目的地降低至相应当前所需的最小电压。
此外还被证明特别有利的是，通过选择合适的几何形状和合适的材料来设计压电弯曲转换器，从而使压电弯曲转换器的电容在-40℃至+80℃的允许工作温度范围内始终小于170nF、优选小于100nF。此外有利的是，符合标准DIN EN 60079-11电力流体式的前级计用于爆炸风险的气体环境中、优选设计为本质安全的实施的单元。
当压电弯曲转换器的最大电容被相应地限制为低于爆炸临界极限的数值时,电力流体式的前级在无需额外措施的情况下在整个工业常见的运行温度范围内作为本质安全的产品应用于有爆炸风险的环境中。由于一贯遵守上述爆炸准则(例如合适的用于电导体的空气间隙和漏电路径等)并且摒弃了原本集成在电力流体式的前级中的能量转化的电子元件或传感装置，无论在任何应用情况下都无需额外费用地确保了先导阀的自身安全性。电力流体式的前级在(有利地设计为具有自有壳体的单独模块的)电子控制单元上的电连接以特别简单的方式借助双线技术完成，所述电子控制单元同样也可以按照爆炸准则设计，其中，优选可以借助具有足够大的导体电路间距的插接触点确保所述电连接。
压电弯曲转换器可以为满足防爆炸准则在几何形状和材料方面尤其设计为，压电弯曲转换器在从-40℃至+80℃的温度范围内绝不会存储50μJ以上的电能。如上作为特别优选的设计方式所提到的，当规定最大允许控制电压为24VDC时，由此可以确保的是，弯曲转换器电容C在任何运行状态下都遵守170nF的最大值。
此外，在本发明的范畴内还可以优选地规定，控制单元具有用于与上级的(适用标准的)控制装置及系统、调节装置及系统、诊断装置及系统和/或通信装置及系统进行通信的接口，并且控制单元设置用于主动或被动地传输在迭代的功能测试过程中确定的数据。
安全阀的控制单元和/或总的控制装置、调节装置或诊断装置尤其还可以设计用于，根据已实施的功能测试的测量值并且在达到就此预设的警告阈值、尤其在质量指标逐步恶化时，发出用于实施预防性维护或维修措施的自动请求。
此外在本发明的范畴内，尤其在待使用的压电弯曲转换器方面，由以下提示得到可有利地考虑的方面和改进方式：
一些压电弯曲转换器被证明为是尤其高效的，其中，在非压电活性的载体层的顶侧和底侧上分别力配合地在至少一个叠层中布置有压电活性材料。特别优选地，压电材料选择为，在电激发的同时，顶侧上的至少一个层的设计变化恰好与底侧上的设计变化相反地改变。在一个层上的压电活性层引发膨胀的同时，在相互对置的层上的活性载体层上发生的收缩，这额外地增强了弯曲转换器的挠曲效果。
对于扁平设计的非压电活性的载体层来说，选择与压电活性材料类型相关的具有相似热学性质的陶瓷材料被证明是特别有利的。该类型的材料不同于纤维增强加固、树脂浸渍的材料，后者材料的强度根据纤维定向和几何形状设计能够沿空间方向被影响，这同样可以是有利的。使用由电导性、纤维增强材料和/或树脂系制成的层也被证明是特别有利的，所述树脂系同时实现与配属于纤维复合物的由压电活性材料制成的层的电接触。上述层通过其集成的树脂系在与其对应的压电活性材料的几何厚度偏差较低的情况下还提供了可靠的公差补偿，并且确保牢固的摩擦接合。
压电弯曲转换器鉴于其由不同物理性质的材料组成的层状结构而容易尤其在其热学自弯曲方面表现出双金属式的特性。如果不通过合适的措施、例如确保合适的材料统一性和厚度匹配对其进行工艺安全地限制，热学自弯曲的程度会明显妨碍预期压电引发挠曲的区域。有目的地敷设合适的由热偏差补偿材料制成的(薄层状)补偿面或补偿结构被证明为是有利的、在弯曲转换器生产工艺之后的补偿措施。通过在弯曲转换器顶侧或底侧上敷设这种额外的补偿面或补偿结构，能够使得热学引发的弯曲力矩被嵌入，所述弯曲力矩反作用于热学自弯曲并补偿所述热学自弯曲。补偿面或补偿结构的物理性质在此有利地选择，从而使得补偿面或补偿结构一方面满足所述热学补偿效果，然而另一方面仅最少地影响(尤其无载偏转和卡止力)的功率确定的促动器参数。
为了优化地充分利用沿通常为条带状的压电弯曲转换器的纵向施加的促动器功率，该压电弯曲转换器特别有利地靠近该条带的几何第一端部地、在其整个宽度上被机械牢固地夹紧。其为影响二次控制流体流所需的促动器运动和促动器力优选靠近相对置的第二端部地作用。因为通过机械固定所致的夹紧和作用区域并不发生偏转，因此使所述区域的纵向膨胀最小化。因此机械夹紧优选面状或线状地实现为抗弯曲的刀口支点的形式。促动器运动和促动器力的截取有利地线状或者甚至点状地实现。为了避免因扭曲所造成的可能的功率损耗，所述截取有利地沿弯曲转换器中线进行。
如果根据本发明的带有压电弯曲转换器的安全阀应该应用在潮湿环境中，则电有源元件应该防止潮气，以免短路或腐蚀。这有利地通过面状的涂覆层、例如防潮漆或借助耐潮的薄膜覆层进行包封实现。为避免可能的力传递损耗，有利的是，在夹紧区域中选择性地减省防潮保护，从而能够确保在无中间层的情况下直接传递机械夹紧。相反在所述截取中有利的是，防潮保护与额外的功能结构相组合。通过该方式能够实现选择性接触面，其具有例如在阀中的密封性质或者在接触元件或减振元件处具备最小剥离力的抗粘附性质。
压电材料在电或机械的持续载荷下容易在一定范围内导致电或机械松弛。在此热量具有效应增强的效果。因其时间相关性，松弛效应的绝对影响随着起因参数的作用时长而降低。压电活性材料因松弛在一定范围内丧失了其在制备过程中所表现出的极化或机械内应力。在此背景下特别有利的是，电控制信号(也即控制电压)被限制在为偏转所需的电压范围内，如上已详述的那样。
在机械夹紧的装配过程中，机械干扰因素应有利地要么通过优化地定向在夹紧点与作用点之间而被最小化，要么在使用合适的校准装置的情况下利用随后的位置校正设置无应力的接合过程。
为了压电弯曲转换器的压电活性层的电激发必要的是，所述压电活性层承受优选特别均匀的电场。为了建立电极面，压电薄膜材料可以在制备过程中为此从两侧薄面地金属化。在借助适当的修剪方法、例如锯切、划痕和断裂分割出各单独的薄膜元件后，压电薄膜材料可以利用设置在两侧的点接触被正面地电激发。对于对称构造的、分别在电传导的载体层的顶侧和底侧上各带有一个压电活性层的弯曲转换器来说，能够特别简单地接触所述构件。在此足以各通过电点接触来连接载体层以及外部电极层。
为了压电活性层的电激发，在其两侧的电极面上需要施加电控制电压。所述电控制电压为位于其间的压电活性材料施加特别均匀的电场。压电活性材料的绝缘性质避免任何的电流传导，从而使得电流仅在电极面的充电或再充电过程中才流动。
压电弯曲转换器的电容量主要由所参与的压电活性元件的数量、其电极面积以及压电活性元件的介电常数得出。为使电松弛效应最小化，在压电弯曲转换器中有利的是，通过具有变化方向同向符号的短周期电激发脉冲开始再充电过程，并且在达到新的额定位置之后将保持电压以及由此通过压电材料引发的电场降低至可靠程度，而不由此引发新的位置变化。
为优化地充分利用与使用无关的缩放效应，在根据本发明的安全阀的设计和制造范畴内，出于经济考虑特别合理的是，由电控制单元和电力流体式的前级组成的电力流体式界面在其物理产品性质方面在重要的特征上标准化。作为用于尤其高能效应用的可电操作的促动器，由此为广泛的应用而得到了以下在实施本发明的范畴内被视作特别有利的产品性质：
·将最大允许电控制电压限定为工业上常用的24VDC
·将存储在压电弯曲转换器中的用于本质安全的促动器的电能限制为最多50μJ。由此推导出，在24VDC的最大电压时压电促动器的有利的最大电容量为170nF。
·根据通用的气动单元信号规定用于二次控制流体的工作压力为1.2bar。
·设置用于从-40℃至80℃的过程工业的标准使用温度范围的界面。
除了以上已经详细描述过的部件之外，根据本发明的安全阀、尤其可以模块化构造的安全阀最终还可以具有压力介质制备模块，所述压力介质制备模块发挥根据应用制备二次控制介质流的作用。在此，除了过滤元件之外，还可以包含初压调节器，其用于在二次控制流体流中的提供的供应压力的过载保护。
以下根据附图详细阐述根据本发明的安全阀和可用于安全阀中的部件的实施例。
在附图中：
图1以部分剖视图示出根据本发明的安全阀的一种实施例的所有部件的示意图，
图2示出在根据本发明实施的功能测试过程中的信号和压力曲线，并且
图3示出输入信号和应答信号之间的相移的曲线作为压电弯曲转换器的位置的函数。
图1示出根据本发明的和模块化设计的安全阀1的一种实施例。该安全阀包括用于生成控制电压的电控制单元2、电力流体式的前级3，该前级带有借助控制电压可在工作位置和安全位置之间操作的压电弯曲转换器4，所述压电弯曲转换器与位置相关地影响二次控制流体流的由箭头S1、S2、S3表示的通量，并且所述安全阀还包括流体机械式的主级5，该主级带有用于影响一次工作流体流的由箭头P1、P2所示通量的影响装置6。
主级5在此实施为在被操作状态下的NG方案(NG＝常闭)。主级包括壳体7、用于一次工作流体流的流体入口8和流体出口9、带有用于二次流体流S2的接头11的控制室10，所述控制室通过隔膜12被分隔，主级还包括借助弹簧13复位(并且在此逆着弹簧力偏转)的操作元件14以及固定在操作元件上的密封元件15，所述密封元件在操作元件14向上移动时与密封座15a一起阻止一次工作流体流穿过主级5。可纵向移动的操作元件14由与隔膜12相连的隔膜盘14a以及固定在隔膜盘上的轴14b组成，所述轴突伸进一次流体中并且在轴的自由端部上固定有密封元件15。前级3与主级5之间的传动比主要通过隔膜盘14a与密封元件15的面积比确定。
前级3实施为压电阀，其中，压电弯曲转换器4(以实线)示出其被操作的工作状态并且(以虚线)示出其安全位置。在此，通过将压电弯曲转化器朝安全位置方向预紧的弹簧16强制采取安全位置(在不存在控制电压的情况下)。两个元件(也即压电弯曲转换器4和弹簧16)处于前级3的壳体17中，所述壳体具有(用于处于压力下的二次控制流体的)供应接头18、通气接头19以及用于相对于主级5的控制室10导入和/或导出二次流体流的接头20，所述接头20以合适的方式与在主级5的壳体7上的上方接头11相连。
在压电弯曲转换器4的工作位置中，在前级3的供应入口18与导入主级5的出口20之间存在流体路径，而通气接头19被压电弯曲转换器4的自由端部覆盖或者说阻挡。
相较而言，在压电弯曲转换器4的虚线所示的安全位置中，供应入口18则被压电弯曲转换器4的自由端部覆盖，从而在该位置中在接头20与通气接头19之间形成流体路径，这实现主级的控制室10的通气，从而随后使得主级5的影响装置6鉴于其弹簧预紧力转换至阻止一次工作流体流的最终位置中。
前级的用于为压电弯曲转换器4供应控制电压所需的电导体21、22穿过壳体7向外导引，所述导体从该处开始以通常方式—例如利用合适的插头—借助电缆23连接在控制单元2的相对于其的适配接头24、25上，其中，为此在给定的实施例中选择最简单的双线连接。
仅示意性示出以通常方式设计适于控制安全阀1和尤其适于生成控制电压的控制单元2。控制单元除了包括(未示出的)控制电子元件之外还包括操作元件26、显示元件27和适用于与上级的控制装置、调节装置、诊断装置和/或通信装置及系统进行通信的接头或者说接口(未示出)，并且所述接头或者说接口适用于主动或被动地传递在迭代功能测试过程中检测的数据。此外，针对为阀的控制所需的测量信号设置了合适的信号入口。
通过对于二次控制流体流合适的方式建立在前级3与主级5上的接头20、11之间的连接通过双箭头示出。由此，主级5的影响装置6借助通入主级5的控制室10中的二次控制流体流可被操作，其中，在图1所示的压电弯曲转换器4的工作位置中，施加在前级3的供应接头18上的压力导入主级5的控制室10，由此主级5的影响装置6如图所示地采取将一次工作流体流释放的开关状态。
如果通过借助控制单元2关断或降低控制电压来将压电弯曲转换器4转换至图1虚线所示的安全位置或者向安全位置的方向偏转，控制室10中的压力则(鉴于通气接头19的开放)下降，这是因为在控制室中处于压力下的二次控制流体向前级3回流，并且能够根据箭头S3通过通气出口9逸出。
根据本发明的安全阀1的控制单元2设置用于全自动地且在经历预设的时间间隔(例如8至72小时之间)之后迭代地重复实施电力流体式的前级3的功能测试，其中，在功能测试的范畴内在适当改变控制电压的情况下实现压电弯曲转换器4的位置的暂时和/或略微变化，从而尽管一方面能够在确定压电弯曲转换器4所实际完成的偏转运动的同时检查该压电弯曲转换器的正确工作方式，然而另一方面仍根本不会由主级5而影响一次工作流体流的流量。
图2示例性地示出在根据本发明实施的功能测试过程中的信号和压力曲线，其中，为控制电压调制测量信号，并且作为应答信号测量由此感应的(交变)电流。
在此，左列的图表示出在额定的控制电压(Unom)下、也即在工作位置中的信号曲线。
右列中的图表示出在降低的控制电压下相应的信号曲线，其中，压电弯曲转换器4已经离开其最终位置。
上行的图表分别示出控制电压U，将所述控制电压调制为作为测量信号的、振幅更小的交变电压。中间行示出分别作为应答信号被测得的电流信号I，并且下行示出在前级3的(导入主级5的控制室10中的)出口20处的压力p。
调制后的电压信号在图示情况下具有频率，所述频率接近或略微高于压电弯曲转换器4在其最终位置中的谐振频率。
在工作位置中，前级3的出口20处的压力是恒定的。在电压与电流之间形成微小的正向相移。
如果控制电压下降，则压电弯曲转换器4离开其最终位置并且压力略微下降，其中，在根据本发明实施的功能测试的范畴内、通过合适地设定控制室10的体积、给定的压力比和/或为操作主级5的影响装置6所需的能量(该能量例如也通过主级5的弹簧13的复位力确定)、负责确保在任何时刻的压力都高于为操作主级5的影响装置6所需的开关压力(psw)。由此可以进而实施前级的功能测试，而不会在此对一次工作流体流产生影响。
由于离开最终位置，在应答信号中形成相位和振幅的变化，从而当在由供应电压调制成的测量信号与(作为电流测得的)应答信号之间存在相移(该相移与在工作位置中给定的相移不同)的情况下，能够推导出压电弯曲转换器自其最终位置发生真实偏转，并且由此推导出正确的工作方式。电流与电压之间的相移在给定的实施例中为-180°(参照图2右列中在上方两个图表中所示的信号曲线)。
图3最终针对给定的实施例示出相移的曲线作为压电弯曲转换器4(相对)位置/自其工作位置的偏转的函数，其中，数值1相当于压电弯曲转换器转换至其安全位置。
图3所示的图表连同有关图2的阐述基本上是清楚的。相移的准确的曲线在此取决于调制后的信号的频率。其又示出适用于在最终位置中接近某频率并且略高于压电弯曲转换器的谐振频率的情况。
