-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einstellung eines Ventils,
das einen unter der Wirkung einer Ventilfeder stehenden und zwischen
zwei Endstellungen in axialer Richtung verstellbaren Stößel aufweist,
wobei zur Verstellung des Stößels ein mit
einem in seiner Achsrichtung bewegbaren Arbeitskolben ausgerüsteter,
temperaturabhängiger Dehnkörper am
Ventil befestigt ist, der durch einen an eine Spannungsquelle anschließbaren,
elektrischen Widerstand beheizbar ist und dem ein durch den Arbeitskolben
des Dehnkörpers
bewegbares Stellglied zugeordnet ist, auf welches eine Druckfeder
einwirkt, welche das Ventil bei nicht beheiztem Widerstand entgegen
der Wirkung der Ventilfeder geschlossen hält und welche bei beheiztem,
sich ausdehnendem Dehnkörper
durch das dabei von demselben bewegte Stellglied zusammengedrückt wird, so
daß das
Ventil durch die Ventilfeder geöffnet
wird, bei welcher zwischen dem Widerstand und der Spannungsquelle
ein durch einen Mikroprozessor zu betätigender, elektrischer Schalter
angeordnet ist und bei welcher an den Mikroprozessor eine mit dem
Stellglied gekoppelte Meßeinrichtung
elektrisch leitend angeschlossen ist, die von der Position des Stellgliedes
abhängige
elektrische Spannungswerte an den Mikroprozessor liefert (
DE 199 10 750 A1 ).
-
Ventile,
bei denen die Anordnung nach der Erfindung einsetzbar ist, werden
beispielsweise in der Heizungs- und Lüftungstechnik verwendet. Sie können grundsätzlich überall dort
verwendet werden, wo durch ein Ventil eine Verstellbewegung durchgeführt werden
soll. Es können
dadurch beispielsweise Klappen bewegt oder lichte Rohrquerschnitte
verändert
werden, wodurch auch die Menge eines durch ein entsprechendes Rohrsystem
strömenden
bzw. fließenden
Mediums verändert
werden kann. Ein solches Medium ist beispielsweise Wasser oder Luft. Die
strömende
oder fließende
Menge wird im folgenden als „Durchflußmenge" bezeichnet.
-
Durch
die
DE 3 140 472 C2 ist
eine Anordnung bekannt geworden, bei welcher der Stößel eines
Ventils durch Einwirkung von elektrischem Strom bewegt wird. Die
Anordnung ist mit einem temperaturabhängigen Dehnkörper ausgerüstet, an
dem ein elektrischer Widerstand als Heizelement angebracht ist.
Ein beispielsweise von einem Thermostat geliefertes Signal bewirkt,
daß der
Widerstand mit Strom versorgt wird. Durch die dann erzeugte Wärme wird der
Arbeitskolben des Dehnkörpers
verstellt. Der Stößel des
in Ruhestellung geschlossenen Ventils wird dadurch entlastet und
durch eine Ventilfeder in Richtung „Öffnung des Ventils" bewegt. Diese bekannte
Anordnung hat sich in der Praxis bewährt.
-
Bei
der eingangs geschilderten Anordnung nach der
DE 199 10 750 A1 ist an
den Mikroprozessor eine mit dem Stellglied gekoppelte Meßeinrichtung
angeschlossen, die von der Position des Stellgliedes abhängige elektrische
Spannungswerte an den Mikroprozessor liefert, aus denen vom Mikroprozessor
eine zwischen einer der Schließstellung
des Ventils entsprechenden minimalen Spannung und einer einem vorgegebenen,
maximalen Hub des Stößels entsprechenden
maximalen Spannung liegende Regelstrecke gebildet und gespeichert
wird. Beim Anschließen
einer Steuerspannungsquelle an den Mikroprozessor, deren zwischen
0 und 100% einstellbare Steuerspannung durch den Mikroprozessor
den Spannungswerten der in demselben gespeicherten Regelstrecke
proportional zugeordnet werden, wird der Schalter durch den Mikroprozessor
in zeitlichen Abständen
geschlossen und nach Zurücklegung
des maximalen Hubs durch den Stößel wieder
geöffnet. Als
Meßeinrichtung
wird eine opto/elektrische Einheit mit zwei Fotostrecken eingesetzt.
Auch diese bekannte Anordnung hat sich in der Praxis bewährt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte
Anordnung weiterzubilden.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
- – daß die Meßeinrichtung
ein feststehendes, lineares CCD-Array aufweist, das eine mit einer
Vielzahl von Pixeln bestückte
Oberseite und eine Unterseite hat, an der elektrische Spannungswerte
abgreifbar sind, deren Größe von der
Intensität
von auf die Pixel fallendem Licht abhängig ist, und das mit dem Mikroprozessor
verbunden ist, und
- – daß mit dem
Stellglied eine über
der Oberseite des CCD-Arrays bewegbare Abdeckung verbunden ist, deren
Abmessungen klein sind im Verhältnis
zu den Abmessungen des CCD-Arrays, durch welche in Abhängigkeit
von der Position des Stellgliedes eine der Form der Abdeckung entsprechende
Anzahl von Pixeln des CCD-Arrays abgedeckt oder belichtet ist.
-
Die
Buchstaben „CCD" stehen für „Charged Coppled
Device". Ein CCD-Array
ist auf seiner Oberseite mit einer Vielzahl von Pixeln bestückt, bei
denen es sich um elektrische Kondensatoren handelt. Ein CCD-Array
hat beispielsweise bei Abmessungen von 0,8 mm × 5 mm auf einer Fläche von
4 mm2 640 Pixel. Wenn auf die Pixel der
Oberseite eines CCD-Arrays Licht fällt, wird an der Unterseite
desselben eine elektrische Spannung erzeugt, die gemessen und ausgewertet
werden kann.
-
Mit
dem Wort „Mikroprozessor" soll jede intelligente
elektronische Schaltung mit Speicherfunktion erfaßt sein.
Solche Schaltungen werden beispielsweise auch als „Mikrocontroler" bezeichnet.
-
Mit
dieser Anordnung wird ebenso wie bei der bekannten Anordnung nach
der
DE 199 10 750 A die
Tatsache berücksichtigt,
daß der
maximal mögliche
Hub des Arbeitskolbens bekannter Dehnkörper größer als der Weg ist, den der
Stößel eines
Ventils zwischen seiner Schließstellung
einerseits und seiner Offenstellung andererseits zurücklegt.
Die Länge dieses
Weges des Stößels ist
bekannt. Sie entspricht einer auf dem CCD-Array vorgebbaren Strecke
mit bekannter Länge,
beispielsweise 3 mm, welche von der Abdeckung – ausgehend von einer Nullposition – maximal überstrichen
wird. Das CCD-Array ist – wie bereits
erwähnt – mit einer
sehr großen
Anzahl von lichtempfindlichen Pixeln ausgerüstet, von denen dann eine elektrische
Spannung auf der Rückseite des
CCD-Arrays erzeugt wird, wenn Licht auf die Pixel fällt. Die
Höhe der
Spannung hängt
von der Intensität
bzw. Helligkeit des Lichts ab.
-
Von
der Abdeckung, die mit dem Stellglied bewegt wird, wird in jeder
Position eine relativ geringe Anzahl von Pixeln abgedeckt, so daß auf dieselben
wenig oder gar kein Licht fällt,
wenn das CCD-Array insgesamt belichtet ist. An den gering oder gar nicht
belichteten Stellen des CCD-Arrays wird dann eine deutlich geringere
Spannung gemessen. Die damit jeweils gegebene Position der Abdeckung über dem
CCD-Array wird vom Mikroprozessor festgestellt und ausgewertet.
-
Eine
andere Möglichkeit
zur Wegmessung der Abdeckung besteht darin, daß in derselben eine Blende
angebracht wird, beispielsweise ein Schlitz, durch welche Licht
einer Lichtquelle auf die Pixel des CCD-Arrays fällt, das in diesem Fall nicht
insgesamt belichtet wird. Die belichteten Pixel erzeugen eine deutlich
höhere
Spannung am CCD-Array,
die wieder vom Mikroprozessor ausgewertet wird.
-
Die
Ausführungsform
der mit einer Blende versehenen Abdeckung wird im folgenden näher erläutert – stellvertretend
auch für
die Ausführungsform mit
einer Abdeckung ohne Blende. Die Blende ist in bevorzugter Ausführungsform
als Schlitzblende ausgeführt.
Da ihre Form aber nicht wesentlich ist, werden im folgenden das
Abbild des durch die Blende tretenden Lichts als „Lichtmuster" und die entsprechenden
Spannungswerte als „Spannungsmuster" bezeichnet. Das
Lichtmuster erzeugt also im CCD-Array ein mit der Abdeckung bewegtes
Spannungsmuster. Die entsprechenden Spannungswerte werden dem Mikroprozessor
aufgegeben, der damit genauestens die Position der Abdeckung und
dadurch die Position des Stößels erkennt.
Bei vorgegebener Maximalposition der Abdeckung wird der Schalter
durch den Mikroprozessor geöffnet,
so daß der
Dehnkörper
nicht mehr beheizt wird. Der Hub des Arbeitskolbens des Dehnkörpers wird
damit auf den Weg begrenzt, den der Stößel zwischen seiner Schließstellung
und seiner Offenstellung zurücklegt.
-
Durch
die Begrenzung des Hubes des vom Dehnkörper bewegten Arbeitskolbens
wird der Energieaufwand für
die Einstellung eines Ventils wesentlich verringert. Wenn der Arbeitskolben
des Dehnkörpers
seinen eingestellten maximalen Hub ausgeführt hat, bei dem das zu betätigende
Ventil voll geöffnet ist,
wird die Stromzufuhr an den Widerstand unterbrochen. Es findet dann,
bis auf einen Ruhestrom für
die eingesetzten Bauteile, kein Energieverbrauch mehr statt. Neben
dem verminderten Energieaufwand ergibt sich bei Einsatz dieser Anordnung
auch eine niedrigere Erwärmung
des Dehnkörpers.
Das führt nicht
nur zu einer erhöhten
Lebensdauer desselben, sondern insgesamt auch zu einer schnelleren
Reaktion der ganzen Anordnung. Wenn ein Ventil beispielsweise geschlossen
werden soll, wird die Stromzufuhr an den Widerstand unterbrochen.
Der Stößel des
Ventils gelangt dann sehr schnell in die Schließstellung, da erstens der Arbeitskolben
des Dehnkörpers
nur einen durch die Hubbegrenzung bedingten kurzen Weg zurücklegen
muß und
weil zweitens der Dehnkörper
wegen seiner geringeren Erwärmung schnell
abkühlt.
-
Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Schaltungsanordnung für
eine Anordnung zur Einstellung eines Ventils als Bockschaltbild.
-
2 eine
mit der Anordnung nach der Erfindung arbeitende Vorrichtung im Schnitt
in schematischer Darstellung.
-
3 bis 6 bei
der Anordnung einsetzbare Meßeinrichtungen
nach der Erfindung.
-
Zentrales
Element der Anordnung ist ein intelligentes elektronisches Schaltungsteil
mit Speicherfunktion, ein Mikroprozessor 1. Er wird aus
einer Spannungsquelle 2, die beispielsweise eine Wechselspannung
von 24 V liefert, über
ein Netzteil 3 gespeist, an dessen Ausgang beispielsweise
5 V Gleichspannung zur Verfügung
stehen. An den Mikroprozessor 1 sind außerdem eine Meßeinrichtung 4 und
ein Schalter 5 angeschlossen.
-
Mit
der Anordnung kann eine Vorrichtung 6 gesteuert werden,
wie sie prinzipiell aus 2 hervorgeht. Die Vorrichtung 6 wird
auf ein nur schematisch angedeutetes Ventil 7 aufgesetzt.
Das Ventil 7 hat einen Stößel 8, der unter der
Wirkung einer der Einfachheit halber nicht mit dargestellten Ventilfeder steht
und in Richtung des Doppelpfeiles 9 zwischen einer Offenstellung
und einer Schließstellung
verstellbar ist. Der Stutzen 10 des Ventils 7 ist
beispielsweise mit einem Gewinde ausgerüstet, auf welches ein Halter 11 aufgeschraubt
werden kann. Der beispielsweise aus Kunststoff bestehende Halter 11 dient
zur Festlegung eines Gehäuses 12 der
Vorrichtung 6 am Ventil 7. Dazu können im
Gehäuse 12 beispielsweise
federnd einrastende Haken angebracht sein, die in Montageposition
in Ausnehmungen 13 und 14 des Halters 11 eingreifen.
Das Gehäuse 12 kann
aber auch auf andere Art und Weise am Ventil 7 befestigt
werden, beispielsweise mittels einer Überwurfmutter.
-
Die
Vorrichtung 7 selbst besteht – ohne Gehäuse 12 und Halter 11 – aus einem
temperaturabhängigen
Dehnkörper 15,
einem in bevorzugter Ausführungsform
topfartigen Stellglied 16 und einer Druckfeder 17.
Der Dehnkörper 15 hat
einen Arbeitskolben 18. Am Dehnkörper 15 ist außerdem ein
als Heizelement dienender elektrischer Widerstand 19 angebracht,
der über
eine elektrische Leitung 20 und einen elektrischen Kontakt 21 an
die Spannungsquelle 2 anschließbar ist.
-
Die
innerhalb des Gehäuses 12 der
Vorrichtung 6 angeordnete Meßeinrichtung 4 ist
in den 3 bis 6 in zwei Ausführungsbeispielen
dargestellt. Sie weist gemäß 3 einen
Schieber 22 auf, der mit dem Stellglied 16 der
Vorrichtung 6 verbunden ist und bei einer Bewegung desselben
in Richtung des Doppelpfeils 23 bewegt wird. Am Schieber 22 ist
eine Abdeckung 24 angebracht, die über einem feststehenden CCD-Array 25 positioniert ist.
Das CCD-Array 25 ist in bevorzugter Ausführungsform
auf einer Leiterplatte 26 angebracht. Es ist elektrisch
mit dem Mikroprozessor 1 verbunden.
-
In
der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist in der Leiterplatte 26 eine
Lichtquelle 27 angebracht, bei der es sich beispielsweise
um eine LED handelt. Das Licht der Lichtquelle 27 wird
mittels eines Prismas 28 so geführt, daß es als Lichtkegel von oben
auf die Abdeckung 24 fällt.
In der Abdeckung 24 ist eine als Schlitz ausgeführte Blende 29 vorhanden,
durch welche das Licht auf das darunter befindliche CCD-Array 25 fällt. Das
dadurch auf dem CCD-Array 25 erzeugte Lichtmuster ist ein
Streifen 30 (5), wenn die Blende 29 ein
Schlitz ist.
-
Bei
einer Bewegung des Schiebers 22 in Richtung des Doppelpfeils 23 wird
der Streifen 30 relativ zum feststehenden CCD-Array 25 bewegt.
Er erzeugt dabei auf der Rückseite
desselben ein korrespondierendes Spannungsmuster- hier also auch
einen Streifen-, das dem Mikroprozessor 1 zugeführt und
von diesem ausgewertet wird. Wenn das CCD-Array 25 – wie bereits erwähnt – bei einer
Länge von
5 mm 640 Pixel hat, dann sind auf einer Länge von 1 mm 128 angeordnet,
die bei Belichtung eine definierte Spannung erzeugen.
-
Die
Länge des
CCD-Arrays 25 ist ebenso wie die einem maximalen Hub des
Arbeitskolbens 18 von beispielsweise 3 mm entsprechende
Länge im
Mikroprozessor 1 gespeichert. Diese wird vom Mikroprozessor 1 während des
Betriebs der Anordnung überwacht,
und zwar ausgehend von einer Nullposition. Die Nullposition wird
beispielsweise dadurch festgelegt und im Mikroprozessor gespeichert,
daß in
einer Art Eichvorgang der Dehnkörper 15 so
erwärmt
wird, daß der
Arbeitskolben 18 um 1 mm aus demselben heraustritt. Danach
wird die Beheizung des Dehnkörpers 15 abgebrochen.
Die nach vollständiger
Abkühlung
erreichte Position des Stellgliedes 16 und damit der Abdeckung 24 ist
die Nullposition.
-
Die
Anordnung nach der Erfindung arbeitet mit einer Meßeinrichtung 4 nach
den 3 und 4 beispielsweise wie folgt:
Sobald
der Schalter 5 geschlossen ist, wird der Widerstand 19 erwärmt. Der
Dehnkörper 15 dehnt
sich dann aus, wodurch sein Arbeitskolben 18 aus demselben
herausgedrückt
wird. Er nimmt das Stellglied 16 in Richtung des Pfeiles 31 (2)
mit. Dadurch wird die Druckfeder 17 zusammengedrückt. Der
Stößel 8 wird
entlastet, so daß das
Ventil 7 durch seine Ventilfeder geöffnet wird. Zusammen mit dem
Stellglied 16 wird die Abdeckung 24 bewegt. Der
Streifen 30 des Lichtmusters wird dabei in Richtung des
Pfeiles 32 (5) bewegt. Das gilt auch für das korrespondierende
Spannungsmuster, das im Mikroprozessor 1 ausgewertet wird.
Diese Auswertung kann beispielsweise mittels eines Komparators sehr
genau durchgeführt
werden, der aus den in Form von Spannungsimpulsen mit ansteigender
und abfallender Flanke vorliegenden Spannungswerten jeweils den Mittelwert
bildet. Wenn der Arbeitskolben 18 des Dehnkörpers 15 seinen
maximalen Hub durchgeführt hat,
dann haben auch der Streifen 30 und das korrespondierende
Spannungsmuster ihren im Mikroprozessor 1 gespeicherten
maximalen Weg von beispielsweise 3 mm über dem CCD-Array 25 zurückgelegt.
Der Schalter 5 wird dann durch den Mikroprozessor 1 geöffnet. Dadurch
wird der Widerstand 19 von der Spannungsquelle 2 getrennt.
Der Dehnkörper 15 kühlt ab und
Arbeitskolben 18 sowie Stellglied 16 gehen in
ihre Ausgangsposition zurück.
-
In
den 3 und 4 ist für die Führung des Lichts der Lichtquelle 27 ein
doppelbrechendes Prisma 28 vorgesehen, das einen ausreichend
breiten Lichtkegel über
der Abdeckung 24 erzeugt. Die Meßeinrichtung 4 kann
gemäß 6 aber
auch mit zwei getrennten Prismen 33 und 34 ausgerüstet sein, von
denen das Prisma 33 ortsfest über der Lichtquelle 27 angeordnet
ist, während
das Prisma 34 zusammen mit der Abdeckung 24 bewegt
wird. Das Licht der Lichtquelle 27 ist zwischen den beiden
Prismen 33 und 34 gut gebündelt.
-
Die
Meßeinrichtung 4 ist
im Vorangehenden mit einer feststehenden Lichtquelle 27 beschrieben, deren
Licht umgelenkt wird. Grundsätzlich
könnte statt
dessen auch direkt oberhalb der Abdeckung 24 eine Lichtquelle
angebracht sein, die außerdem
zusammen mit der Abdeckung 24 bewegt werden könnte.