CN115615299A - 具有位置检测装置的阀 - Google Patents

Abstract

阀具有位置检测装置(12)，所述位置检测装置包括至少一个霍尔传感器(24)和信号发送器(22)，其中所述霍尔传感器构造为，使得其检测在第一测量方向(x)上和与其正交的第二测量方向(y)上的磁场分量，其中这两个测量方向位于霍尔传感器的平坦的测量区(28)中。信号发送器是轴向极化的磁体，其设置在沿着运动轴线(A_x)可线性移动的阀挺杆(16)上，使得所述磁体的磁极位于运动轴线上，其中运动轴线平行于第一测量方向延伸，并且沿着测量区的面法线(N)与测量区间隔开地伸展。在测量区上穿过测量区的中心点(M_P)并且沿着第一测量方向定义假想的中心线(M)，其中运动轴线沿着第二测量方向与中心线间隔开地设置。

Description

具有位置检测装置的阀

技术领域

本发明涉及一种具有位置检测装置的阀。

背景技术

为了能够检测阀元件的位置，进而能够确定阀关于打开或关闭位置的状态，已知的是，在与阀元件连接的、可线性移动的阀挺杆上能够设置有磁体作为信号发送器，所述磁体在霍尔传感器的检测范围内移动。在霍尔传感器中以这种方式产生的测量信号被用于确定位置。

测量信号的信号强度随着以下间距强烈变化，磁体以该间距经过霍尔传感器，使得通常选择尽可能小的间距，以便能够获得尽可能高的信号幅度。因此，霍尔传感器通常尽可能靠近磁体定位，并且其测量区居中地朝向磁体的运动轴线定向，使得从测量区的中心线起始的面法线与运动轴线相交。

在沿三个彼此垂直的空间方向测量的霍尔传感器中，在这种布置中引起在用于运动方向(在下文中也称为x方向)的测量信号中以及在用于沿着测量区的面法线从磁体朝向霍尔传感器的方向(在下文中也称为z方向)的测量信号中轴向极化的磁体的轴向运动。由于磁场线的走向，对于位于测量区的平面中的、垂直于第一测量方向的第三空间方向(下文也称为y方向)没有测量到信号或者测量到仅非常小的信号。

为了评估测量信号，例如从DE 10 2018 203 884 A1中已知的是，能够求得所获得的两个测量信号的商并且将Sigmoid函数，例如反正切函数应用于该结果，以进行线性化。

在集成到半导体芯片中的霍尔传感器中，子传感器的对于各个空间方向的特性，例如灵敏度、偏移和漂移因制造引起变化。在此，设置在霍尔传感器的面上的x和y子传感器具有类似的特性，而指向霍尔传感器的深度的z子传感器的特性差异更大。

因此，在使用x和z子传感器的测量信号时，在评估时必须考虑所有传感器特性，这要求耗费的计算或误差修正。

发明内容

本发明的目的是，能够改进在阀中的位置检测。

所述目的借助具有位置检测装置的阀来实现，所述位置检测装置包括至少一个霍尔传感器和信号发送器，其中霍尔传感器构造为，使得其包括至少两个子传感器，所述子传感器检测在第一测量方向和与所述第一测量方向正交的第二测量方向上的磁场分量，其中这两个测量方向位于霍尔传感器的平坦的测量区中。在测量区的平面中，霍尔传感器在两个测量方向上的延伸大于霍尔传感器垂直于其的延伸。信号发送器是轴向极化的磁体，其设置在沿着运动轴线可线性移动的阀挺杆上，使得所述磁体的磁极位于运动轴线上，其中运动轴线平行于第一测量方向延伸，并且沿着测量区的面法线与测量区间隔开地伸展。在测量区上穿过测量区的中心点并且沿着第一测量方向定义假想的中心线，其中运动轴线沿着第二测量方向与中心线间隔开地设置。

因此，如在已知的布置中那样，运动轴线以(小的)间距沿z方向(意即垂直于由两个测量方向展开的平面)放置在测量区上游，然而附加地也沿着第二测量方向相对于测量区的中心线偏移，所述中心线形成y子传感器的对称轴线。因此，y子传感器也检测信号发送器的磁场的分量并且提供足够大的信号。这允许：能够将x子传感器和y子传感器的值用于计算测量信号，这两个子传感器都设置在平坦的测量区中并且具有类似的传感器特性。

因此产生以下优点：在求得测量信号的商时，相同的传感器误差被抵消并且至少减少了类似的传感器误差，这简化了评估。

在上述布置中，第一测量方向对应于x方向，而第二测量方向对应于y方向。

测量区代表霍尔传感器的有效测量范围，并且通常明显小于霍尔传感器的壳体尺寸。该测量区对于每个传感器都是已知的，并且对于本领域技术人员而言在霍尔传感器本身上或从制造商对于该霍尔传感器的文件中清楚可见，以便能够精确定位地安装霍尔传感器。例如，在已知的霍尔传感器中，借助测量区的尺寸以及测量方向的定向来给出测量区的中心点。

特别适合用于实施本发明的是霍尔传感器，所述霍尔传感器设计为用于安装在印刷电路板上并且具有通常设置在由测量区限定的面的两侧的接触部，使得测量区平行于霍尔传感器的上侧并且平行于印刷电路板。

因为运动轴线沿z方向定位在霍尔传感器的测量区的面的上游，所以其上设置有霍尔传感器的印刷电路板能够安装在壳体壁上，这能够实现紧凑的布置。

运动轴线与中心线的间距能够根据本领域技术人员的判断来选择。在此要注意的是，间距应选择为大到使得获得与第二测量方向相关联的y子传感器的可用于实际目的的测量信号。随着间距的增大，y分量的信号强度首先增大，因为越来越多地检测到信号发送器的磁场的y分量，直至信号强度在超过最大值之后由于通常的间距相关性而再次减小。然而，一旦运动轴线和中心线不再重合，那么x分量的信号强度就会随着间距的增大而减小。在该可用的间距内，本领域技术人员能够自由地选择运动轴线的位置。

被证实为非常适宜的布置的是，将运动轴线相对于中心线沿着第二测量方向的偏移量选择为大到使得在沿着测量区的面法线的投影中，运动轴线不与中心线重叠并且可选地不与测量区重叠。

可选地，运动轴线相对于中心线沿着第二测量方向的偏移量选择为，使得所述偏移量是信号发送器垂直于运动轴线的直径的0.3倍至0.5倍。

例如，在信号发送器的直径为19mm以及高度为5mm的情况下，相对于中心线的偏移量能够为5mm至8mm。在此假设，测量区具有1mm的沿着第二测量方向的直径。运动轴线在z方向上的偏移量例如能够是10mm。

优选地，运动轴线与中心线间隔开地设置，使得在第一和第二测量方向上的信号强度在绝对值方面具有相同的数量级。例如，在测量信号的最小值和最大值之间的差的比率可以位于1.0和2.0之间，其中所述测量信号在信号发送器在其整个运动范围上运动离开时由第一和第二测量方向产生。

信号发送器优选是具有刚好两个磁极的永磁体，所述磁极是线性极化的，使得能够使用简单且低成本的磁体。

为了扩展测量范围，能够沿着运动轴线依次设置多个单独的霍尔传感器，所述霍尔传感器依次检测信号发送器。例如，三个至五个，尤其是相同的霍尔传感器能够在一条直线上依次设置，其中所有霍尔传感器的运动轴线相对于测量区的中心线具有相同的偏移量。

霍尔传感器尤其容纳在阀的控制头中，阀挺杆连同安置在其上的信号发送器延伸到该控制头中。

控制头例如仅包括阀的不被工艺介质流体穿流的部段。

控制头优选具有用于印刷电路板的固定结构，霍尔传感器安装在所述印刷电路板上。此外，控制头在指向阀的阀元件的侧上通常具有用于阀挺杆的穿引部。固定结构和穿引部通过其位置预设了运动轴线关于霍尔传感器的位置，这简化了霍尔传感器的精确安置。

阀元件与阀的流体穿流的区域接触并且例如封闭阀座或释放所述阀座，其中阀元件与阀挺杆以明确的机械关系连接，进而与信号发送器连接，使得确定信号发送器的位置明确地给出关于阀元件的位置的信息。

所述阀例如是工艺阀，但是本发明也能够在所有其它适宜的阀中实施。

为了能够处理霍尔传感器的信号，位置检测装置优选包括控制和/或评估单元，所述控制和/或评估单元以传输信号的方式与霍尔传感器连接。所述控制和/或评估单元例如能够设置在与霍尔传感器相同的印刷电路板上。但是也可行的是，能够在外部处理所述信号，进而将控制和/或评估单元设置在阀的不同的位置处或设置在阀的外部。

附图说明

下面根据实施例参考附图详细描述本发明。在附图中示出：

图1示出根据本发明的阀的示意图；

图2示意性地示出在y-z平面中的信号发送器相对于图1中的阀的位置检测装置的霍尔传感器定位；

图3示意性地示出在x-y平面中的信号发送器相对于霍尔传感器定位；

图4示意性地示出在x-z平面中的信号发送器相对于霍尔传感器定位；以及

图5示出在图1中的阀的位置检测装置中检测到的霍尔传感器的子传感器的测量信号的示意图。

具体实施方式

图1示出阀10，在此是工艺阀，所述阀具有示意性地示出的位置检测装置12，所述位置检测装置容纳在阀10的控制头14中。

控制头14在此仅包括阀10的不被工艺介质穿流的构件。

阀挺杆16穿过在控制头14的下端部处的穿引部18伸出并且在控制头14的外部与阀元件20牢固地连接。

阀元件20与阀10的引导工艺介质的组件共同作用，所述组件在此仅指明。例如，阀元件20能够封闭阀座或释放阀座或与封闭或释放阀座的构件共同作用。在任何情况下，阀挺杆16的运动非间接和直接地传递到阀元件20上，使得阀挺杆16的位置给出关于阀元件20位置的明确的信息。

在与阀元件20相反的端部处，在阀挺杆16处设置有信号发送器22。信号发送器22是轴向极化的磁体，其磁极沿着阀挺杆16的纵轴线设置。示例性地选择在图1中示出的磁极布置，信号发送器22当然也能够具有相反的极性。

阀挺杆16的纵轴线限定运动轴线A_x，其中阀挺杆16在预设的运动范围内线性地沿着运动轴线A_x来回移位，以便能够移动阀元件20。

信号发送器22位置固定地安置在阀挺杆16上并且产生围绕运动轴线A_x旋转对称的磁场。在此在阀10中仅设有唯一的信号发送器22。

信号发送器22是位置检测装置12的一部分。位置检测装置12还包括一个或多个(在此是三个)霍尔传感器24。在该示例中，所有霍尔传感器24一起安装在印刷电路板26上。所有霍尔传感器24沿着直线排列。

霍尔传感器24中的每个霍尔传感器包括小于霍尔传感器24的壳体尺寸的测量区28。

在该示例中，所有霍尔传感器24设计为，使得所述霍尔传感器能够检测在三个彼此垂直的空间方向x、y、z上的测量信号。在此，第一和第二测量方向被视为x和y方向，所述第一和第二测量方向位于测量区28的面中进而设置在基本上长方体的霍尔传感器24的最大的面上。第一和第二测量方向x、y在此也平行于印刷电路板26的面。因此，第三测量方向沿z方向垂直于测量区28伸展到霍尔传感器24的深度中。该测量方向与在此描述的方法无关，但是也能够评估由该子传感器提供的信号，以便能够获得更多的信息。

当然，本发明也能够借助以下霍尔传感器来实施，所述霍尔传感器仅具有用于第一和第二测量方向x、y的、而不是用于z方向的子传感器。

所述附图不是按比例绘制的。

在控制头14的内部中构成有固定结构30，印刷电路板26固定地安装在所述固定结构处。

经由固定结构30和穿引部18，在控制头14的内部中固定地预设阀挺杆16以及霍尔传感器24的位置，进而也固定地预设信号发送器22与霍尔传感器24的相对位置。

运动轴线A_x沿第一测量方向x定向并且以偏移量v_y和v_z相对于霍尔传感器24、更准确地说相对于每个霍尔传感器24的测量区28的关于y方向的假想的中心线M设置(也参见图2至4)。

假想的中心线M伸展穿过每个测量区28的中心点M_P并且沿着第一测量方向x伸展。z方向与测量区28的面法线N重合(也参见图2)。

如在图2中所示出的，偏移量v_y提供在运动轴线A_x和中心线M之间的沿着第二测量方向y的间距，而偏移量v_z形成在运动轴线A_x和测量区28之间的沿z方向的间距。

可选地，偏移量v_y选择为大到使得在沿着面法线N的投影中，信号发送器22不与测量区28重叠，如图1至3所示出那样。然而，在任何情况下，运动轴线A_x定位为，使得从测量区28的中心线M起始的面法线N不与运动轴线A_x相交。

信号发送器22是轴向极化的永磁体，所述永磁体具有刚好一个北极和一个南极。垂直于运动轴线A_x的直径d例如为19mm。沿着运动轴线A_x的高度在此选择为5mm。

在该示例中，霍尔传感器24的测量区28沿着y方向具有1mm的宽度。

偏移量v_y在此为5mm至8mm。

通常，偏移量v_y例如能够是信号发送器22的直径d的0.3倍至0.5倍。

位置检测装置12还包括控制和/或评估单元32(参见图1)，所述控制和/或评估单元与霍尔传感器24以传输信号的方式连接，并且其在此同样设置在印刷电路板26上。

如果阀挺杆16沿着运动轴线A_x移动，则信号发送器22以与阀元件20相同的量值移动。因为信号发送器22相对于霍尔传感器24移动，由霍尔传感器24产生的测量信号发生变化。

控制和/或评估单元32以已知的且在此未详细阐述的方式记录：霍尔传感器24中的哪个霍尔传感器当前最接近信号发送器22进而当前负责用于检测。

信号发送器22的运动的磁场在霍尔传感器24的负责用于第一测量方向x的子传感器中产生在量值方面基本上持续增加并且再次减小的测量信号34，如在图5中所示出那样。

对于第二测量方向y，由于偏移量v_y，检测到在y方向上的磁场分量，所述磁场分量在信号发送器22沿着霍尔传感器24的通道的伸展中变换极性。与此相应地产生测量信号36，所述测量信号具有正峰值和负峰值(参见图5)。当然，测量曲线的伸展取决于信号发送器22的极性。

在此不考虑z子传感器的测量信号38。

运动轴线A_x关于测量区28的位置，即偏移量v_y、v_z的大小根据本领域技术人员的判断来选择，使得对于第二测量方向y接收到的测量信号36的幅度S位于与对于第一测量方向x接收到的测量信号34的幅度S相同的数量级中。

可选地，测量信号34、36的对于第一和第二测量方向x、y的最大的信号强度(从零线至峰值或峰值至峰值测量)具有1.0至2.0的比率。

在评估测量信号34、36时，求得对于第一测量方向x和第二测量方向y的所检测到的测量信号34、36的商，并且将该结果输送给Sigmoid函数，例如反正切函数，以获得长度信号，从中以已知的方式产生具有近似直线上升的部段的曲线，该部段与信号发送器22的运动直接相关，进而允许简单地确定信号发送器22和阀元件20的位置(在此没有示出)。

在曲线的两个转折点之间的近似线性的部段的长度预设了可用的测量范围。通常，在此适用以下相关性：更高的偏移量v_y引起更大的可用的测量范围，然而在超过通过当前系统预设的偏移量v_y的值时，第二测量方向y的信号幅度S随着偏移量v_y的增大而减小。在该参数范围内，本领域技术人员必须为具体的系统选择运动轴线A_x的适宜的位置。

Claims (9)

1.一种具有位置检测装置(12)的阀，所述位置检测装置包括至少一个霍尔传感器(24)和信号发送器(22)，其中所述霍尔传感器(24)构造为，使得其包括至少两个子传感器，所述子传感器检测在第一测量方向(x)上和与所述第一测量方向正交的第二测量方向(y)上的磁场分量，其中这两个测量方向(x、y)位于所述霍尔传感器(24)的平坦的测量区(28)中，其中在所述测量区(28)的平面中，所述霍尔传感器(24)在两个测量方向(x、y)上的延伸比与之相垂直的所述霍尔传感器(24)的延伸大，并且所述信号发送器(22)是轴向极化的磁体，所述磁体设置在沿着运动轴线(A_x)可线性移动的阀挺杆(16)上，使得所述磁体的磁极位于所述运动轴线(A_x)上，其中所述运动轴线(A_x)平行于所述第一测量方向(x)延伸，并且沿着所述测量区(28)的面法线(N)与所述测量区(28)间隔开地伸展，其中在所述测量区(28)上穿过所述测量区(28)的中心点(M_P)并且沿着所述第一测量方向(x)定义假想的中心线(M)，并且其中所述运动轴线(A_x)沿着所述第二测量方向(y)与所述中心线(M)间隔开地设置。

2.根据权利要求1所述的阀，其中将所述运动轴线(A_x)相对于所述中心线(M)沿着所述第二测量方向(y)的偏移量(v_y)选择为大到使得在沿着所述测量区(28)的面法线(N)的投影中，所述信号发送器(22)不与所述测量区(28)重叠。

3.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其中所述运动轴线(A_x)相对于所述中心线(M)沿着所述第二测量方向(y)的偏移量(v_y)是所述信号发送器(22)垂直于所述运动轴线(A_x)的直径(d)的0.3倍至0.5倍。

4.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其中所述信号发送器(22)是具有刚好两个磁极的永磁体。

5.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其中沿着所述运动轴线(A_x)设置有多个单独的霍尔传感器(24)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其中所述霍尔传感器(24)容纳在所述阀(10)的控制头(14)中，所述阀挺杆(16)连同安置在其上的信号发送器(22)延伸到该控制头中。

7.根据权利要求6所述的阀，其中所述控制头(14)具有用于在其上安装所述霍尔传感器(24)的印刷电路板(26)的固定结构(30)，以及在指向阀元件(20)的侧上具有用于所述阀挺杆(16)的穿引部(18)，所述固定结构和穿引部通过其位置预设所述运动轴线(A_x)关于所述霍尔传感器(24)的位置。

8.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其中所述阀是工艺阀。

9.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其中所述位置检测装置(12)包括控制和/或评估单元(32)，所述控制和/或评估单元以传输信号的方式与所述霍尔传感器(24)连接。

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