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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung zur
Regelung eines pneumatischen Proportionalventils, dessen Ventilmechanik mindestens
einen ringförmigen
Ventilsitz mit korrespondierendem elektromagnetisch angetriebenen Verschlusselement
aufweist, wobei Mittel zur Detektion der aktuellen Stellung des
Verschlusselements vorgesehen sind. Weiterhin umfasst die Erfindung auch
ein pneumatisches Proportionalventil, welches mit einer derartigen
elektronischen Einrichtung ausgestattet ist.
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Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf die
Einstellung vorbestimmter Drücke
in pneumatischen Systemen, wozu gewöhnlich pneumatische Proportionalventile
als Stellglied eingesetzt werden. Ein Proportionalventil besitzt
im Gegensatz zu einfachen Schaltventilen nicht nur diskrete Zustände, geöffnet oder
geschlossen, sondern führt
je nach Bestromung stufenlos einen proportionalen Öffnungsquerschnitt
herbei. Zur Regelung eines Durchflusses oder eines pneumatischen
Drucks ist die genaue Kenntnis des momentanen Öffnungsquerschnitts der Ventilmechanik
erforderlich. Bei Proportionalventilen wird der Grad der Ventilöffnung durch
die Position des Verschlusselements relativ zum ortsfest dem gegenüber angeordneten
Ventilsitz eingestellt. Für
die Regelung ist die Kenntnis der genauen Position des Verschlusselements
erforderlich, weil diese den Öffnungsquerschnitt
bestimmt. Der Linearantrieb des Verschlusselements erfolgt über einen
Magnetanker einer elektromagnetischen Spule. Die Position des Magnetankers
und damit auch des Verschlusselements ist nicht eindeutig mit der
Ansteuerspannung des Elektromagneten verknüpft, insbesondere ist also
der Öffnungsquerschnitt
bei gegebener Ansteuerspannung nicht bekannt. Ursache für den nicht
eindeutigen Zusammenhang ist das nicht determinierte Verhalten der
Dichtungselemente zwischen dem Ventilgehäuse und dem relativ beweglich hierzu
angeordneten Verschlusselement für
den Ventilsitz. Diese Dichtelemente verformen sich bei der Bewegung
zunächst
elastisch, bevor sie zu gleiten beginnen. Die Verformung ist sowohl
aufgrund von Haftreibungs- als auch Gleitreibungseffekten nicht definiert.
Die zur Bewegung erforderlichen Losbrechkräfte sind unbekannt und von
vielen Einflussparametern abhängig,
wie Stillstandsdauer, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, weitere Umgebungsmedien,
Materialeigenschaften, Oberflächentopographie
und dergleichen. Somit wirken auf die Ventilmechanik nicht allein
die elektromagnetische Antriebskraft, sondern auch Reibkräfte, Strömungskräfte und
andere. Diese zusätzlichen
Kräfte
sind stochastisch verteilt und in der Praxis nicht vorhersehbar.
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Aus
der
DE 102 02 108
A1 geht eine elektronische Einrichtung zur Regelung eines
pneumatischen Proportionalventils hervor, die Mittel zur Detektion
der aktuellen Stellung des Verschlusselements umfasst. Hierbei wird
die Kraft einer entgegen der Magnetkraftrichtung auf das Verschlusselement einwirkenden
Rückstellfeder
gemessen. Bei dem elektromagnetisch angetriebenen Proportionalventil wird
der Öffnungsquerschnitt
durch die veränderte Magnetkraft
eingestellt. Auf das bewegbare Verschlusselement wirken unter anderem
die Federkraft, die in den meisten Konstruktionen die Ventilmechanik
schließt
und die Elektromagnetkraft, die die Ventilmechanik entgegen der
Rückstellfeder öffnet. Die Position
des Verschlusselements wird hierbei indirekt über eine Messung der Federkraft
ermittelt, in dem benachbart zur Rückstellfeder ein Kraftsensor
angeordnet ist, welcher in einer Justierschraube zur Einstellung
der Federspannung der Rückstellfeder
integriert ist.
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Die
Rückstellfeder
ist dabei innerhalb des Elektromagneten zwischen dem beweglichen
Verschlusselement und einem demgegenüber ortsfesten Magnetkern angeordnet.
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Nachteilhaft
bei dieser technischen Lösung ist,
dass sich über
diese Art von Kraftmessung nur recht ungenaue Messergebnisse hinsichtlich
des Öffnungsquerschnitts
der Ventilmechanik erzielen lassen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektronische
Einrichtung zur Regelung eines pneumatischen Proportionalventils
mit Mitteln zur Detektion der aktuellen Stellung des Verschlusselements
zu schaffen, welche mit einfachen technischen Mitteln zuverlässige Ergebnisse über die tatsächliche
Größe des Öffnungsquerschnitts
liefern.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einer elektronischen Einrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die Mittel zur Detektion der aktuellen
Stellung des Verschlusselements als eine im Bereich zwischen Ventilsitz
und Verschlusselement angeordnete elektrische Spaltmesssensorik
ausgebildet sind, die direkt den lichten axialen Abstand zwischen
dem Rand des ringförmigen
Ventilsitzes und dem hieran zur Anlage kommenden Bereich des Verschlusselements
misst.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass das von der Spaltmesssensorik gelieferte
Messergebnis als ein zum Öffnungsquerschnitt
eindeutig proportionales elektrisches Signal vorliegt, welches direkt
für die
Regelelektronik des Proportionalventils verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung berücksichtigt auch,
dass sich im Laufe der Betriebsdauer die Dichtelemente, welche normalerweise
seitens des Verschlusselements vorhanden sind und gegen den harten
Ventilsitz zur Anlage kommen, plastisch verformen und somit immer
andere Verschlusselementpositionen notwendig sind, um den gleichen Öffnungsquerschnitt
zu erzielen. Nachjustagen während
der Betriebsdauer können
durch die erfindungsgemäße Lösung somit
vermieden werden.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme
wird vorgeschlagen, dass die Spaltmesssensorik eine vom Ventilsitz
eingeschlossene, hiervon umgebene Lichtquelle umfasst, die mit mindestens
einem außerhalb
des Ventilsitzes außenumfänglich angeordneten
optischen Sensor zur Messung durch den Öffnungsspalt hindurchtretenden Lichtmenge
zusammenwirkt. Vorzugsweise ist ein solcher optischer Sensor als
Fotodiode ausgebildet. Werden mehrere Fotodioden umfänglich um
den Ventilsitz herum angeordnet, so lassen sich die jeweiligen Messwerte
mitteln, um einen recht genauen Durchschnittswert für den aktuellen Öffnungsquerschnitt
festzustellen, Bei den meisten Anwendungen reicht jedoch ein einziger
optischer Sensor aus, um den Spaltwert zwischen Ventilsitz und Verschlusselement
hinreichend genau festzustellen.
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Bevorzugterweise
sollte die Lichtquelle als eine diffus strahlende Lichtemitterdiode
(LED) ausgebildet sein, welche koaxial zum Ventilsitz angeordnet ist
und eine Punktlichtquelle bildet, deren Licht den gesamten Umfang
des Ventilsitzes beleuchtet.
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Zusätzlich hierzu
wird vorgeschlagen, diese Lichtquelle mit einer oleophoben und/oder
hydrophoben Beschichtung zu versehen. Denn je nach Beschaffenheit
der Druckluft können
beispielsweise ölhaltige
Partikel mit transportiert werden, welche sich mit der Zeit an der
Oberfläche
der Lichtquelle ablagern. Eine Zunahme solcher Ablagerungen führt zu einer
Verdunkelung der Lichtquelle. Die vorgeschlagene Maßnahme bildet
einen Schutz hiervor.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, im Zuge
der Inbetriebnahme des Proportionalventils oder in größeren Zeitabständen später hin
die maximale auf den optischen Sensor treffende Lichtmenge bei maximal
geöffnetem
Verschlusselement zu ermitteln. Diese Lichtmenge dient der Initiierung
der Signalauswertungselektronik, welche das elektrische Messsignal
des optischen Sensors weiter verarbeitet.
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Die
vorstehend beschriebene elektronische Einrichtung mit Mitteln zur
Detektion der aktuellen Stellung des Verschlusselements lässt sich
insbesondere bei einem Verschlusselement eines pneumatischen Proportionalventils
einsetzen, das aus einem endseitig an mit dem Magnetanker korrespondierenden
Stößelabschnitt
ausgebildeten Tellerabschnitt besteht, an dessen Unterseite ein
mit dem Ventilsitz korrespondierender elastomerer Dichtring angeordnet
ist. Anstelle eines elastomeren Dichtrings ist es auch möglich, die
Unterseite des Verschlusselements mit einer Elastomerscheibe zu
belegen. Ferner ist es auch denkbar, das Verschlusselement selbst
oder nur dessen Tellerabschnitt gänzlich aus Elastomermaterial
auszubilden.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur
zeigt eine schematische Darstellung der Ventilmechanik eines pneumatischen Proportionalventils
mit Mitteln zur Detektion der aktuellen Stellung des Verschlusselements.
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Gemäß Figur
umfasst die nach Art eines Sitzventils ausgebildete Ventilmechanik
des pneumatischen Proportionalventils einen ortsfest zu einem Ventilgehäuse 1 ausgebildeten
und einen Speisedruckanschluss P von einem Arbeitsanschluss A abtrennenden
Ventilsitz 2, der mit einem dem gegenüber axial bewegbar angeordneten
Verschlusselement 3 zusammenwirkt.
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Das
Verschlusselement 3 umfasst hier einen – endseitig eines von einem
nicht weiter dargestellten Elektromagneten ausgehenden – Stößelabschnitt 4, an
dem endseitig ein Tellerabschnitt 5 ausgebildet ist. Zwischen
dem Ventilgehäuse 1 und
dem Tellerabschnitt 5 ist ein dynamisch dichtender Elastomerdichtring 6 innerhalb
einer korrespondierenden Nut an der Umfangsfläche des Tellerabschnitts 5 angeordnet.
An der Unterseite des Tellerabschnitts 5 ist ein elastomerer
Dichtring 7 aufgebracht, der über eine stirnseitige Dichtlippe
auf dem Ventilsitz 2 zur Auflage kommt, um in dieser Stellung
den Ventilquerschnitt zu Null zu bringen, d. h. das Ventil zu schließen.
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Als
Mittel zur Detektion der aktuellen Stellung des Verschlusselementes 3 ist
im Bereich zwischen dem Ventilsitz 2 und dem Verschlusselement 3 eine
Spaltmesssensorik zur Detektion des Öffnungsspalts und unter Berücksichtigung
des Umfangs zur Ermittlung des hierzu proportionalen Öffnungsquerschnitts
vorgesehen. Diese Spaltmesssensorik misst direkt den lichten axialen
Abstand zwischen der stirnseitigen Dichtlippe des elastomeren Dichtrings 7 und dem
Ventilsitz 2.
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Zu
dieser Spaltmesssensorik gehört
eine vom Ventilsitz 2 eingeschlossene Lichtquelle 8,
die von einem stangenförmigen
Ansatz 9 des Ventilgehäuses 1 in
koaxiale Ausrichtung mit dem Ventilsitz 2 in den Bereich
zwischen dem Ventilsitz 2 und dem Verschlusselement 3 gebracht
wird. Diese punktförmige
Lichtquelle 8 wirkt mit einem außenumfänglich bezüglich des Ventilsitzes 2 und
ortsfest zum Ventilgehäuse 1 angeordneten
optischen Sensor 10 zusammen. Der optische Sensor 10 dient
der Messung der durch den Öffnungsspalt
zwischen Verschlusselement 3 und Ventilsitz 2 hindurchtretenden
Lichtmenge.
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Die
hindurchtretende Lichtmenge wird über den Lichtkegel der Lichtquelle 8 bestimmt,
welcher auf den außerhalb
des Ventilsitzes 2 angeordneten optischen Sensors 10 trifft.
Die Abschattung, welche durch die stirnseitige Dichtlippe des elastomeren Dichtrings 7 des
Verschlusselements 3 erzeugt wird, bestimmt die Menge des
auf den optischen Sensors 10 fallenden Lichtes. Diese Lichtmenge
ist direkt proportional zum Abstand zwischen dem Verschlusselement 3 und
dem Ventilsitz 2 und somit zum Öffnungsquerschnitt der Ventilmechanik
des pneumatischen Proportionalventils.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr
auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der
nachfolgenden Ansprüche
mit umfasst. So ist es beispielsweise auch möglich, dass das pneumatische
Proportionalventil mit einem anderen Linearantrieb als mit einem
Elektromagneten angetrieben wird, beispielsweise über eine
pneumatische Vorsteuerung.
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- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Ventilsitz
- 3
- Verschlusselement
- 4
- Stößelabschnitt
- 5
- Tellerabschnitt
- 6
- Elastomerdichtring
- 7
- Dichtring
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Ansatz
- 10
- optischer
Sensor