CN111434964A - 用于阀的致动系统 - Google Patents

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CN111434964A CN202010042998.7A CN202010042998A CN111434964A CN 111434964 A CN111434964 A CN 111434964A CN 202010042998 A CN202010042998 A CN 202010042998A CN 111434964 A CN111434964 A CN 111434964A
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Abstract

一种用于阀(20)的致动系统(10)具有外部壳体(11)。用于接收所述阀(20)的切换主轴(21)的接收区域(12)在所述外部壳体(11)中延行。至少一个电感传感器平行于所述接收区域(12)延行。所述致动系统进一步具有至少一个大体圆柱形位置编码器(40)，所述位置编码器具有导电材料且具有沿着其纵向轴线延行的通道(43)。此通道经装备以接收所述阀(20)的所述切换主轴(21)。

Description

用于阀的致动系统
技术领域
本发明涉及一种用于阀的致动系统。此外，本发明涉及一种具有所述致动 系统的阀。
背景技术
诸如具有例如单一或双重作用驱动器的气动操作控制阀的致动系统可使 用微处理器电子件来调节阀的位置。此情形需要测量阀的当前位置的位移转换 器。此情形接着与预定位置设定点连续地进行比较，且如果存在控制差，那么 校正阀的实际位置。
对于当前位置的非接触测量，一个或多个磁体可布置于阀的切换主轴中。 借助于示例，DE 20 2006 012 959 U1描述一种具有切换主轴的阀，在所述切换 主轴中，通过弹簧分离的两个磁体以一方式布置，使得两个磁体的位置可通过 致动系统的霍尔(Hall)传感器侦测。然而，为此目的，有必要的是切换主轴已 经设定从而接收磁体，且在制造阀时装备有磁体。此解决方案对于干涉型磁场 (magnetic interference field)也为敏感的。
通常，然而，切换主轴并不具有磁体或可充当位移转换器的位置编码器的 类似元件的阀安设于系统中。如果此阀将经改造而具有致动系统，那么有必要 的是阀具备位置编码器。为此目的，例如，含有线圈及电容器的盘型位置编码 器可借助于连接部分附接到切换主轴的一侧。所述位置编码器接着充当具有谐 振器或振荡电路的主动位置编码器。然而，有必要的是位置编码器在组装期间 经正确地对准。不大可能直接地检查确认正确安装位置是否已被达成，此是因 为当位置编码器插入到致动系统中时，检视位置编码器为不可能的。故障总成 可接着仅经由定位系统的故障功能来间接地侦测。
EP 1 422 452 A1揭示一种用于侦测阀的外壳的移动结束的系统。为此目 的，一个或两个位置编码器布置于阀的切换主轴上，位置编码器的移动可分别 借助于磁阻性传感器来侦测。
本发明的问题为提供一种用于阀的致动系统，所述致动系统不仅可在制造 期间附接到阀，而且所述致动系统还适合于改造解决方案。致动系统应以一方 式设计，使得其位置编码器不可在组装期间未对准，且对于诸如通过磁性阀或 伺服电机引起的干扰型磁场的干扰型磁场不敏感。本发明的另一目标为提供一 种具有此类致动系统的阀。
发明内容
此问题在本发明的一个方面通过用于阀，详细来说用于比例阀的致动系统 来解决，所述阀可用作例如控制阀。此致动系统具有外部壳体。用于阀的切换 主轴的接收区域在外部壳体中延行。接收区域此处理解为外部壳体中的依据位 置及尺寸适用于接收切换主轴的任何自由空间。对于接收区域不必要受到限 制。确切而言，接收区域还可为外部壳体中较大自由空间的局部区。至少一个 电感传感器平行于接收区域延行。此电感传感器充当致动系统的位移传感器。
此外，致动系统包括至少一个大体圆柱形位置编码器。此位置编码器具有 导电材料。沿着其纵向轴线，经配置以容纳阀的切换主轴的通道延行。位置编 码器并非永久地连接到致动系统的其他部分。如果致动系统为针对现有阀的改 造解决方案，那么致动系统可替代地为通过使致动系统传递通过通道附接到切 换主轴的单一部分。切换主轴及位置编码器可接着插入到外部壳体中。切换主 轴平行于电感传感器的移动可接着通过位置编码器中导电材料的存在以电感 方式测量。术语“导电”此处理解为在25℃的温度下具有大于106S/m的导电率 的所有材料。详细来说，铜及/或铝适合于作为导电材料。
位置编码器的圆柱形形状确保其相对于切换主轴为旋转对称的。位置编码 器因此在组装期间可相对于切换主轴以任何方式旋转而不导致不对准。甚至其 中布置有电感传感器的外部壳体相对于切换主轴的旋转将不导致任何不对准。
位置编码器由若干部分组成。位置编码器具有编码器部分。此编码器部分 使得能够进行切换主轴的电感位置确定。连接部分沿着编码器部分的纵向轴线 导引通过编码器部分。此连接部分包围通道，且具有至少一个接合元件。借助 于接合元件，连接部分通过使连接部分接合于切换主轴中可紧固到切换主轴。 此紧固防止位置编码器沿着切换主轴倾斜。连接部分优选地由塑料制成，使得 连接部分并不与电感传感器相互作用。连接部分连接到编码器部分。此连接可 例如通过栓锁或胶结形式发生。
为了能够实行可靠的位置确定，优选的是，编码器部分的长度是在4mm 到15mm的范围内，详细来说优选地是在10mm到15mm的范围内。连接部 分特别来说至少与编码器部分一样长，且优选地长于此编码器部分。
在致动系统的一个实施方式中，编码器部分为由导电材料组成的圆柱形编 码器部分。此编码器部分充当相对于电感传感器的被动式编码器部分。在另一 实施方式中，编码器部分具有环形磁通量导体，所述环形磁通量导体包覆有由 导电材料制成的导线。此编码器部分充当相对于电感传感器的主动式编码器部 分。
此外，为了可靠电感测量，优选的是，位置编码器的外径大小为通道的直 径的至少两倍，详细来说优选地为通道的直径的至少2.5倍。
对于致动系统的稳健实施方式，优选的是，电感传感器布置于至少部分通 过内部壳体围封的印刷电路板上。内部壳体可能并非导电的以便不损害电感传 感器的功能，且因此详细来说由塑料组成。此处，壳体应理解为独立组件且电 感传感器及印刷电路板的塑料插入件成型(insert moulding)。
内部壳体优选地具有经设计以部分容纳位置编码器的导块。详细来说，导 块具有具凹座的形状，所述凹座平行于接收区域延行且具有弯曲横截面。导块 此处优选地以一方式塑形，使得位置编码器并不触碰内部壳体。
为了在典型阀的整个工作范围上确保位置测量，优选的是电感传感器的测 量路径是在3mm到100mm的范围内，更优选地在40mm到60mm的范围 内。归因于电感传感器的功能原理，电感传感器的长度大于其测量路径，且例 如为测量路径的150％。
为了调节阀的位置，致动系统优选地在外部壳体中具有电子位置调节器， 所述电子位置调节器连接到电感传感器。电子位置调节器含有详细来说微处理 器。此外，提供致动装置，所述致动装置具有用于连接到阀的端口。视阀的实 施方式而定，致动装置可为电致动装置、气动致动装置或电动气动致动装置。
位置调节器可处理外部位置设定点。然而，如果过程设定点也与实际过程 值相比较，那么优选的是电子位置调节器连接到过程调节器，所述过程调节器 具有针对定位于外部壳体外部的传感器的接口。此传感器可接着提供实际过程 值。电子位置调节器及过程调节器可以分离组件或以单一组件实施。
此外，优选的是，致动系统具有用户接口，所述用户接口经配置以供应位 置设定点到电子位置调节器及/或供应过程设定点到过程调节器。
在本发明的另一方面中，目标通过一种阀解决，所述阀详细来说为一种可 例如用作控制阀的比例阀。此阀具有切换主轴，所述切换主轴经由根据上述的 本发明的方面的致动系统的位置编码器导引。
优选地，切换主轴及位置编码器以一方式插入到定位系统中，使得在位置 编码器的壳表面与电感传感器之间维持至少0.5mm，更优选地至少1.0mm的 距离。此外，优选的是，电感传感器与布置于电感传感器与位置编码器之间的 可能内部壳体之间的距离为至少0.3mm，更优选地至少0.5mm。
切换主轴具有连接元件，位置编码器的接合元件与所述连接元件接合。此 接合使得能够进行位置编码器在切换主轴上的准确定位。连接元件优选地为凹 座，且可详细来说设计为围绕切换主轴的环形凹槽。
详细来说，阀可为气动阀。此阀接着接着连接到致动系统的电动气动致动 装置。
附图说明
本发明的示例性实施方式展示于图式中且在后续描述内容中予以更详细 地解释。
图1展示根据本发明的示例性实施方式的阀的示意性纵向图示。
图2展示传感器元件的位置编码器以及根据图1的阀的切换主轴的部分的 自指定为II的检视方向起的示意图。
图3展示沿着线III-III截取的通过根据图2的图示的截面。
图4展示沿着线IV-IV截取的通过图3的图示的截面。
图5展示位置编码器以及根据图2的切换主轴的部分的等角图示。
图6展示位置编码器以及根据图2的切换主轴的部分的另一等角图示。
图7展示位置编码器及根据本发明的致动系统的示例性实施方式中的两 个传感器元件。
图8展示本发明的示例性实施方式中位置编码器的编码器部分。
图9以图形式展示根据发明的示例性实施方式的致动系统的电感传感器 的信号。
具体实施方式
在图1中展示根据本发明的示例性实施方式的致动系统10，所述致动系 统连接到阀20。阀20设计为气动致动阀且布置于管线30上。致动系统10具 有外部壳体11。在此壳体中，界定接收区域12，阀20的切换主轴21突出到 所述接收区域中。位置编码器40布置于切换主轴21上。传感器元件13平行 于接收区域12布置。传感器元件将测量数据供应到控制电动气动致动器15 的电子位置调节器14。此电子位置调节器具有到阀20的气动驱动器22的端 口151。致动装置的通过位置调节器14控制的放气阀152可通过端口151将 来自压力供应源50的压缩空气馈入到气动驱动器22中以便关闭阀20。致动 装置15的排气阀153可借助于端口151将来自气动驱动器的空气释放到排气 空气区60中，所述排气阀受电子位置调节器14控制。过程调节器16具有接 口161，在阀20的下游布置于管线30中的传感器31可连接到所述接口。传 感器31在目前状况下设计为流量传感器。具有显示器及按钮的用户接口17应用到外部壳体11的外部。所述用户接口允许位置设定点S14的输入及过程设 定点S16的输入。如果未连接传感器31，那么外部壳体11中的开关18可以一 方式切换，使得位置设定点S14经馈入到位置调节器14。切换主轴21的实际 位置接着在位置调节器14中自传感器元节13的通过传感器元件与位置编码器 40的电感相互作用产生的信号计算出，且比较实际位置与位置设定点S14。如 果在实际值与设定点之间存在偏差，那么实际值借助于致动装置15的合适控 制来重设到设定点。另一方面，如果连接了传感器31，那么开关18以一方式 切换，使得位置调节器14自过程控制器16接收输入信号。此输入信号通过比 较在目前状况下为流量设定点的过程设定点S16与通过传感器31测量的实际 值来计算。所计算值经传送到位置调节器14，在所述位置调节器处，所计算 值替换位置设定点S14。
传感器元件13与位置编码器40之间的电感相互作用使得能够确定切换主 轴21的准确定位。此些详细展示于图2到6中。传感器元件13具有由塑料制 成的0.5mm厚的内部壳体131，电感传感器132布置于具有连接缆线133的 印刷电路板上。此电感传感器借助于未图示的孔热固定到内部壳体131。位置 编码器40由编码器部分41及连接部分42组成。编码器部分41设计为具有12.5mm的长度L41的在本状况下由铜制成的圆柱体。所述编码器部分的外径 对应于位置编码器40的外径d40，且在本状况下为18mm。沿着编码器部分 41的纵向轴线，圆形孔延行，连接部分42插入到所述圆形孔中。此连接部分 由塑料组成且在其内部具有具4.9mm的直径d43的通道43。此直径d43对应于 切换主轴21的外径。连接部分在编码器部分41的整个长度L41上延伸且延伸 超出所述整个长度。连接部分的长度为25.1mm。所述连接部分以弹簧状接合 元件421结束，所述接合元件以舌隼与凹槽连接的方式接合于围绕切换主轴 21的环中的凹槽211中。在位置编码器40的接合元件421定位所在的侧上， 连接部分大体上在一个区段上加宽到编码器部分41的外径，且在所述外径处 粘附到编码器部分。对应于编码器部分41的壳表面的位置编码器40的面向电 感传感器132的壳表面与电感传感器132的表面之间的距离为1.0mm，且壳 表面与内部壳体131的表面之间的距离为0.5mm。内部壳体131具有面向位 置编码器的导块134。此导块具有具弯曲横截面的凹座的形状，使得壳表面与 内部壳体之间的距离在导块134的区中在编码器部分41的径向方向上为恒定的。
图7展示，在不同实施方式中，致动系统10可具有两个传感器元件13a、 13b，所述两个传感器元件皆平行于接收区域域12但彼此成90度角地布置。 此情形使得能够进行针对阀20的安全相关应用的冗余位置测量。在并未真实 地按比例绘制的简化图示中，还展示，位置编码器40的壳表面与电感传感器 132之间的距离b足够大以包括传感器元件13a的内部壳体131a的厚度c以及 确保足够安设公差。相同情形适用于第二传感器元件13b。
在替代性示例性实施方式中，位置编码器40的编码器部分41并非铜圆柱 体。如图8中所展示，编码器部分实情为具有环状磁通量导体411，所述磁通 量导体由铁素体组成。此磁通量导体包覆有铜导线412。电容器413与导线412 串联连接。因此，导线412及电容器413形成谐振器。此编码器部分41充当 主动编码器部分，而由铜制成的编码器部分41充当被动式编码器部分。
在描述于图1到6中的示例性实施方式中，电感传感器132具有沿着50 mm的接收区域12且长度为78mm的测量路径s。在图9中，以示例所说明， 在此测量路径s上绘制所测量电压Umess的进程及经校准电压Ukal的进程。此 外，展示线性L在测量路径s上的进程。在校准之后，存在仅大约±0.4％的非 线性。
致动系统10及阀20可以所展示的方式一起制造。然而，还有可能改造阀 20以适应于致动系统10。如此做，位置编码器40通过推动切换主轴21通过 通道43直到接合元件421接合于凹座211中来应用到切换主轴21。接着，以 一方式将致动系统放置于阀20上，使得切换主轴21突出到接收区域12中且 阀20的气动驱动器22连接到定位系统的端口151。如果在管线30中存在传 感器31，那么所述传感器连接到接口161。致动系统10随后准备好以供操作。 在安设期间不存在不正确地调整位置编码器40的风险。致动系统沿着切换主 轴21的纵向轴线一已到达通过凹座211界定的位置，致动系统便可按需要围 绕切换主轴21旋转而不损害使用电感传感器132进行的位置测量。

Claims (14)

1.一种用于阀(20)的致动系统(10)，所述系统具有
-外部壳体(11)，
-在所述外部壳体(11)中延行的接收区域(12)，所述接收区域用于接收所述阀(20)的切换主轴(21)，
-至少一个电感传感器(132)，其平行于所述接收区域(12)延行，及
-至少一个大体上圆柱状位置编码器(40)，所述位置编码器具有导电材料且具有沿着其纵向轴线延行的通道(43)，所述通道(43)经装备以接收所述阀(20)的所述切换主轴(21)，
其特征在于所述位置编码器(40)具有编码器部分(41)，连接部分(42)沿着其纵向轴线经由所述编码器部分导引，所述连接部分(42)包围所述通道(43)且具有至少一个接合元件(421)。
2.根据权利要求1所述的致动系统(10)，其特征在于所述编码器部分(41)的长度(L41)是在4mm到15mm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的致动系统(10)，其特征在于所述编码器部分(41)为圆柱形编码器部分(41)，所述编码器部分由所述导电材料组成。
4.根据权利要求1或2所述的致动系统(10)，其特征在于所述编码器部分(41)具有环形磁通量导体(411)，所述环形磁通量导体包覆有由所述导电材料制成的导线(412)。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的致动系统(10)，其特征在于所述位置编码器(40)的外径(d40)大小至少为所述通道(43)的直径(d43)的两倍。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的致动系统(10)，其特征在于所述电感传感器(132)布置于印刷电路板上，所述印刷电路板至少部分通过内部壳体(131)包围。
7.根据权利要求6所述的致动系统(10)，其特征在于所述内部壳体(13)具有导块(134)，所述导块经装备以部分接收所述位置编码器(40)。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的致动系统(10)，其特征在于所述电感传感器(132)具有在40mm到60mm的范围内的测量路径(s)。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的致动系统(10)，所述致动系统进一步在所属外部壳体(11)中具有如下各者：
-电子位置调节器(14)，其连接到所述电感传感器(132)，及
-致动装置(15)，其具有用于连接到所述阀(20)的端口(151)。
10.根据权利要求9所述的致动系统(10)，其特征在于所述电子位置调节器(14)连接到过程调节器(16)，所述过程调节器具有布置于所述外部壳体(11)外部的用于传感器(31)的接口(161)。
11.根据权利要求9或10所述的致动系统(10)，所述致动系统进一步包括用户接口(17)，所述用户接口经装备以供应位置设定点(S14)到所述电子位置调节器(14)及/或供应过程设定点(S16)到过程调节器(16)。
12.一种具有切换主轴(21)的阀(20)，所述切换主轴通过根据权利要求1到11中任一项所述的致动系统(10)的位置编码器(40)导引，其中所述切换主轴(21)具有连接元件，所述位置编码器(40)的接合元件(421)与所述连接元件接合。
13.根据权利要求12所述的阀(20)，其特征在于所述位置编码器(40)的壳表面与所述电感传感器(132)之间的距离(b)为至少0.5mm。
14.根据权利要求12或13所述的阀(20)，其特征在于所述阀为气动阀(20)，且连接到所述致动系统(10)的电动气动致动装置(15)。
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