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Die
Erfindung betrifft ein Sensormodul zur Bestimmung einer Position
eines Ventilglieds einer Ventileinrichtung, wobei das Ventilglied
in einer Ventilkammer eines Ventilgehäuses zwischen mehreren Stellungen
bewegbar aufgenommen ist und wobei die Ventilkammer kommunizierend
mit wenigstens einem im Ventilglied ausgebildeten, zur Fluidführung dienenden
Ventilkanal verbunden ist, der an einer Außenoberfläche
des Ventilgehäuses in einer Ventilkanalmündung
ausmündet, und wobei durch die Position des Ventilglieds
ein Fluidstrom im Ventilkanal einstellbar ist; mit einem Grundkörper,
dem ein Signalgeber zum Senden von elektromagnetischen Wellen und
ein Signalempfänger zum Empfangen der am Ventilglied reflektierten
elektromagnetischen Wellen zur Bestimmung der Position des Ventilglieds
zugeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Ventilanordnung
mit mindestens einer Ventileinrichtung und mindestens einem Sensormodul
sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Ventilstellung einer Ventileinrichtung
mittels eines derartigen Sensormoduls.
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Aus
der
DE 297 21 983
U1 ist eine Messvorrichtung zur Erfassung der Bewegung
und/oder Position eines Messobjekts bekannt, bei der das Messobjekt
in einer optischen Messstrecke oder durch eine optische Messstrecke
hindurch bewegbar ist und die Messstrecke zwischen einer Lichtabstrahlungsstelle und
einer Lichterfassungsstelle ausgebildet ist.
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Aus
der
DE 600 15 661
T2 und der
EP
0 844 425 A1 sind pneumatische Wegeventile bekannt, die mit
einer integrierten Positionserfassungseinrichtung ausgestattet sind.
Zur Ermittlung der Stellung der Wegeventile ist jeweils ein elektrooptisches
Sensorsystem vorgesehen. Das Sensorsystem sendet durch eine im Ventilgehäuse
angeordnete und speziell angepasste Bohrung einen Lichtstrahl auf
das Ventilglied und ermöglicht anhand der am Ventilglied reflektierten
Strahlung eine Detektion der Position des Ventilglieds.
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Aus
der
DE 601 29 900
T2 ist ein Ventilmodul bekannt, bei dem an einem Ventilgehäuse
ein Sensormodul anbringbar ist, das mit einem Sensor zur Erfassung
der Position des Ventilglieds ausgerüstet ist. Der Sensor
greift hierbei in eine als Sackloch ausgebildete Ausnehmung ein,
die speziell für diesen Zweck im Ventilgehäuse
vorgesehen ist, um die Erfassung der Position des Ventilglieds zu
ermöglichen.
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Aus
der
DE 201 16 202
U1 ist ein Ventil mit einem Ventilstellungssensor bekannt,
bei dem ein Signalgeber, der elektromagnetische Wellen emittiert, und
wenigstens ein Signalempfänger, der zur Detektion von elektromagnetischen
Wellen ausgebildet ist, in einem Ventilgehäuse angeordnet
sind. Der Signalgeber und der Signalempfänger liegen sich
in benachbarten Kanälen des Ventilgehäuses derart
gegenüber, dass die vom Signalgeber ausgehenden elektromagnetischen
Wellen nur in vorgegebenen Stellungen des Ventilglieds bis zum Signalempfänger dringen
können, so dass daraus Rückschlüsse über die
Position des Ventilglieds ableitbar sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Sensormodul zur Bestimmung
einer Position eines Ventilglieds bereitzustellen, das zur Nachrüstung
einer Ventileinrichtung ausgebildet ist, an der keine besonderen
Vorkehrungen für ein derartiges Sensormodul getroffen sind.
Außerdem soll eine mit einem solchen Sensormodul ausgestattete
Ventilanordnung sowie ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben
des Sensormoduls geschaffen werden.
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Diese
Aufgabe wird für ein Sensormodul der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass der Signalgeber und der Signalempfänger
derart am Grundkörper angeordnet sind, dass sich die vom
Signalgeber ausgesendeten elektromagnetischen Wellen und die vom
Signalempfänger zum Bestimmung der Position des Ventilglieds
genutzten elektromagnetischen Wellen gemeinsam in einem als Detektionskanal
dienenden Ventilkanal des Ventilgehäuses ausbreiten und
dass der Grundkörper für eine Anbringung an einer
Außenoberfläche des Ventilgehäuses ausgebildet
ist.
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Durch
die Nutzung eines sowieso vorhandenen Ventilkanals als Detektionskanal
für die Aussendung und den Empfang von elektromagnetischen Wellen
zur Bestimmung der Position des Ventilglieds kann das erfindungsgemäße
Sensormodul an Ventileinrichtungen nachgerüstet werden,
die ursprünglich nicht für eine Positionsbestimmung
des Ventilglieds ausgelegt wurden. Damit lässt sich das
zunehmende Bedürfnis, die Position des Ventilglieds überwachen zu
können und gegebenenfalls einer Steuer- oder Regeleinrichtung
eine entsprechendes Positionssignal zur Verfügung zu stellen,
auch bei bestehenden Anlagen befriedigen, die insbesondere mit einer
Vielzahl von Ventileinrichtungen ausgerüstet sind. Durch die
Nutzung eines gemeinsamen Detektionskanals für die Ermittlung
der Stellung des Ventilglieds kann das erfindungsgemäße
Sensormodul ohne bauliche Veränderungen an der Ventileinrichtung
angebracht werden, so dass eine Nachrüstung der bestehenden Anlagen
in einfacher und kostengünstiger Weise erfolgen kann.
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Vorteilhaft
ist es, wenn dem Signalgeber und/oder dem Signalempfänger
Wellenleitmittel zugeordnet sind, die für eine vom Signalgeber
räumlich beabstandete Auskopplung der elektromagnetischen Wellen
in den Detektionskanal und/oder eine vom Signalempfänger
räumlich beabstandete Einkopplung der elektromagnetischen
Wellen aus dem Detektionskanal ausgebildet sind. Das Material des
jeweiligen Wellenleitmittels weist eine hohe optische Transmission
für die vom Signalgeber ausgesendeten und für
die am Ventilglied reflektierten elektromagnetischen Wellen auf.
Bei dem Wellenleitmittel kann es sich beispielsweise um eine Faser
oder Faseranordnung oder um einen Stab aus Glas, Quarzglas oder aus
Kunststoff, insbesondere Polymethylmethacrylat (PMMA) handeln. Mit
Hilfe des Wellenleitmittels ist es möglich, die elektromagnetischen
Wellen, die sich im Detektionskanal in dem Fluid, vorzugsweise druckbeaufschlagter
Luft, geradlinig ausbreiten, auf eine gekrümmte Bahn abzulenken.
Dies ermöglicht eine Anordnung des Signalgebers und/oder
des Signalempfängers beabstandet von der Ventilkanalmündung,
wodurch eine kompakte Gestaltung des Sensormoduls begünstigt
wird.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Signalgeber
und/oder dem Signalempfänger wenigstens ein Umlenkspiegel
zur Umlenkung der vom Signalgeber ausgesendeten und/oder der in
Richtung des Signalempfängers eintreffenden elektromagnetischen
Wellen zugeordnet ist. Bei dem Umlenkspiegel kann es sich um eine
optische Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren und
einem optisch weniger dichten Material oder Medium handeln, wobei
die im optisch dichten Material oder Medium geführten elektromagnetischen
Wellen an der Grenzfläche zum optisch weniger dichten Material
oder Medium, insbesondere einer Luftatmosphäre, durch Totalreflexion
in ihrer Richtung abgelenkt werden. Alternativ kann der Umlenkspiegel
als Grenzfläche zwischen einem optisch weniger dichten Material
oder Medium, in dem sich die elektromagnetischen Wellen ausbreiten
und einem optisch dichteren Material oder Medium, das als Spiegelfläche dient,
ausgebildet sein. Hierbei werden die sich im optisch weniger dichten
Material oder Medium, insbesondere als Freistrahl in einem Fluid,
ausbreitenden elektromagnetischen Wellen an der Grenzfläche zum
optisch dichteren Material umgelenkt und setzen anschließend
ihren Weg im optisch dünneren Medium fort.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass dem Signalgeber und/oder dem Signalempfänger wenigstens
eine Strahlformungseinrichtung, insbesondere eine Linse, zur Bündelung
oder Aufweitung eines Strahlenbündels der elektromagnetischen
Wellen zugeordnet ist. Die Strahlformungseinrichtung ist vorzugsweise
aus einem Material, insbesondere aus Kunststoff oder Glas, hergestellt,
das gegenüber dem im Detektionskanal strömenden
Fluid eine größere optische Dichte aufweist und
umfasst wenigstens eine gekrümmte Oberfläche.
Mit Hilfe der wenigstens einen gekrümmten Oberfläche
kann eine Ablenkung der aus dem optisch dichteren Material in das
Fluid ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen und/oder eine Ablenkung
der aus dem Fluid in das optisch dichtere Material eingekoppelten
elektromagnetischen Wellen bewirkt werden. Vorzugsweise ist die
Strahlformungseinrichtung mit mehreren gekrümmten Oberflächen versehen,
um bei kompakter Bauweise eine vorteilhafte Bündelung oder
Aufweitung oder auch eine Kollimierung von Strahlenbündeln
der elektromagnetischen Wellen bewirken zu können.
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Vorteilhaft
ist es, wenn dem Signalgeber und dem Signalempfänger wenigstens
ein gemeinsamer Wellenleiter und/oder wenigstens ein gemeinsamer Umlenkspiegel
und/oder wenigstens eine gemeinsame Strahlformungseinrichtung zugeordnet
sind. Durch die gemeinsame Nutzung wenigstens einer optisch wirksamen
Komponente wie einem Wellenleiter, einem Umlenkspiegel oder einer
Strahlformungseinrichtung sowohl durch den Signalgeber als auch durch
den Signalempfänger wird ein besonders kompakter Aufbau
des Sensormoduls ermöglicht. Vorteilhaft für eine
kompakte Bauweise des Sensormoduls ist es, wenn optische Pfade für
die vom Signalgeber ausgesendeten und für die in Richtung
des Signalempfängers eintreffenden elektromagneti schen
Wellen zumindest nahezu identisch sind. Dies ermöglicht eine
kompakte Anordnung des Signalgebers und des Signalempfängers,
vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, insbesondere
auf einem gemeinsamen Halbleiterchip.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens
eine Komponente aus der Gruppe: Signalgeber, Signalempfänger,
Wellenleitmittel, Umlenkspiegel und Strahlformungseinrichtung derart
am Grundkörper angeordnet ist, dass sie bei Anordnung des
Grundkörpers am Ventilgehäuse zumindest bereichsweise
in den Detektionskanal hineinragt. Damit lässt sich die
Länge des optischen Pfadabschnitts, in dem sich die elektromagnetischen Wellen
im Freistrahl zwischen dem Wellenleitmittel, dem Umlenkspiegel oder
der Strahlformungseinrichtung und dem Ventilglied ausbreiten, kurz
halten. Dadurch kann eine Beeinträchtigung durch äußere
Störeinflüsse wie Streulicht vermindert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die entsprechende Komponente oder die Komponenten
derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie einen freien Querschnitt
des Detektionskanals nur geringfügig verengen, um die Strömungseigenschaften
für das Fluid im Detektionskanal nicht negativ zu beeinflussen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Grundkörper
derart ausgebildet, dass sich bei einer Anordnung des Sensormoduls
an einer Ventileinrichtung die vom Signalgeber ausgesendeten und
die vom Signalempfänger empfangenen elektromagnetischen
Wellen in einem als Entlüftungskanal dienenden Detektionskanal
ausbreiten. Ein Entlüftungskanal dient beispielsweise dazu,
eine mit der Ventileinrichtung gekoppelte Arbeitseinrichtung in
einem Ruhezustand ohne Fluidbeaufschlagung drucklos zu halten. Dadurch
kann ein eindeutiger Funktionszustand der Arbeitseinrichtung gewährleistet
werden. Der Entlüftungskanal ist jeweils nur dann mit dem
Fluid beaufschlagt, wenn ein Entlüftungsvorgang der Arbeitseinrichtung
stattfindet. Vorkehrungen hinsichtlich der Abdichtung des Entlüftungskanals
können einfacher gehalten werden, als dies bei permanent
fluidführenden Ventilkanälen der Ventileinrichtung
der Fall ist. Somit können Dichtelemente, die zur abdichtenden
Anbringung des Sensormoduls an der Ventileinrichtung dienen, einfach und
kostengünstig gestaltet werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn am Grundkörper ein Anschlussstutzen, insbesondere
ein Gewindestutzen, zur Festlegung des Grundkörpers am
Detektionskanal ausgebildet ist. Der Anschlussstutzen und ein korrespondierendes
Gegenkupplungselement an der Ventileinrichtung dienen als Schnittstelle
zwischen Sensormodul und Ventileinrichtung. Die Schnittstelle kann
beispielsweise als rastbare Steckkupplung oder als Gewindekupplung
ausgebil det sein. Sie ermöglicht eine mechanisch zuverlässige und
abdichtende Festlegung des Sensormoduls an der Ventileinrichtung.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anschlussstutzen
wenigstens eine in Längsrichtung des Detektionskanals erstreckte
Ausnehmung aufweist, die für eine Auskopplung der elektromagnetischen
Wellen aus dem Signalgeber in den Detektionskanal oder für
eine Einkopplung der am Ventilglied reflektierten elektromagnetischen Wellen
aus dem Detektionskanal in Richtung des Signalempfängers
ausgebildet ist. Die Ausnehmung an Anschlussstutzen dient dazu,
eine ungehinderte optische Verbindung zwischen dem Signalgeber oder
einer dem Signalgeber zugeordneten Komponente aus der Gruppe Wellenleitmittel,
Umlenkspiegel und Strahlformungseinrichtung und dem Ventilglied
oder in gleicher Weise dem Signalempfänger und einer zugeordneten
Komponente aus der vorstehend genannten Gruppe zu gewährleisten,
ohne den freien Querschnitt des Dektektionskanals für das
Fluid maßgeblich zu verengen. Vorzugsweise ist der Anschlussstutzen
mit einer an seiner Innenoberfläche rinnenartig ausgebildeten
Ausnehmung oder einem in Längsrichtung des Detektionskanals
erstreckten Schlitz versehen.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
an einer dem Anschlussstutzen entgegengesetzten Oberfläche
des Grundkörpers ein Koppelstutzen ausgebildet ist, der
für eine Ankopplung eines Fluidleiters oder eines Arbeitsmoduls,
insbesondere eines Schalldämpfers, eingerichtet ist. Bei
dem Koppelstutzen handelt es vorzugsweise um eine Steckkupplung
oder eine Gewindekupplung, die in gleicher Weise wie die Schnittstelle
in der Ventileinrichtung ausgebildet ist. Dadurch kann das Sensormodul
als Zwischenstück zwischen die Ventileinrichtung und den
Fluidleiter oder das Arbeitsmodul montiert werden, ohne dass zusätzliche
Adaptionsmaßnahmen erforderlich sind. Bei dem Fluidleiter
kann es sich um eine einzelne Fluidleitung oder um ein Anschlussmodul
mit einer Vielzahl von Fluidleitungen handeln. Bei dem Arbeitsmodul
kann es sich um einen Fluidverbraucher, beispielsweise einen Fluidantrieb,
oder um eine, typischerweise dem Entlüftungskanal zugeordnete,
Einrichtung wie einen Schalldämpfer handeln.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Grundkörper
wenigstens eine Durchgangsbohrung für eine kommunizierende
Verbindung mit dem Detektionskanal auf. Vorteilhaft ist es, wenn
die Durchgangsbohrung für eine kommunizierende Verbindung
zwischen dem jeweiligen Detektionskanal und dem Koppelstutzen und
einem daran anschließbaren, weiterführenden Fluidkanal
ausgebildet ist. Mit einer Durchgangsbohrung kann eine besonders einfache
kommunizierende Verbindung zwischen der Ventileinrichtung und dem
weiterführenden Fluidkanal hergestellt werden, so dass
durch das zwischengeschaltete Sensormodul keine oder nur eine geringfügige
Beeinträchtigung des in den Detektionskanal einströmenden
oder aus dem Detektionskanal ausströmenden Fluids stattfindet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper
eine Leiterplatte umfasst, auf der der Signalgeber und/oder eine
zugehörige Ansteuereinrichtung und/oder der Signalempfänger
und/oder eine zugehörige Auswerteeinrichtung angeordnet
sind. Die vorzugsweise als gedruckte Schaltung ausgeführte
Leiterplatte dient zur Aufnahme elektronischer und/oder elektrischer
Bauelemente und stellt elektrische Verbindungen zwischen diesen
Bauelementen bereit. Auf der Leiterplatte können der, insbesondere
als Laserdiode ausgebildete, Signalgeber, und/oder der, insbesondere
als lichtempfindliche Diode ausgebildete, Signalempfänger
und/oder jeweils zugehörige Ansteuereinrichtungen und Auswerteeinrichtungen
angebracht sein. Die Ansteuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung können
als diskrete elektronische Schaltungen oder als integrierte elektronische
Bauelemente ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Leiterplatte
als glasfaserverstärkte Kunstharzstruktur mit einer oder
mehreren elektrisch leitenden Schichten ausgeführt und bildet
damit auch die tragende Struktur des Grundkörpers.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Leiterplatte zumindest im Bereich des Signalgebers
und/oder des Signalempfänger von einem Material stoffschlüssig umhüllt
ist, das für eine verlustarme Transmission der elektromagnetischen
Wellen ausgebildet ist. Um eine vielseitige Einsetzbarkeit des Sensormoduls
gewährleisten zu können, ist eine zumindest teilweise,
vorzugsweise vollständige Abschottung der auf der Leiterplatte
aufgenommenen elektronischen und/oder elektrischen Komponenten vorteilhaft.
Dies kann beispielsweise durch eine stoffschlüssige Umhüllung
mit einem Kunststoffmaterial verwirklicht werden. Dieses ist vorzugsweise
zumindest im Bereich des Signalgebers und/oder des Signalempfängers
derart ausgewählt, dass die elektromagnetischen Wellen
verlustarm durch das Material hindurchtreten können. Somit kommt
dem Umhüllungsmaterial für die Leiterplatte neben
dem Schutz der elektronischen und elektrischen Komponenten vor Umwelteinflüssen
zusätzlich die Aufgabe zu, die elektromagnetischen Wellen, die
vom Signalgeber ausgegeben werden und/oder die am Signalempfänger
eintreffen, zumindest bereichsweise weiterzuleiten.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Umhüllung der Leiterplatte wenigstens eine ein stückig
angeformte, insbesondere vom Anschlussstutzen umgebene, Komponente
aus der Gruppe: Wellenleitmittel, Umlenkspiegel und Strahlformungseinrichtung
umfasst. Beispielsweise kann die Umhüllung eine oder mehrere stabartig
abragende, als Wellenleitmittel dienende Strukturen und/oder dem
optischen Pfad des Signalgebers und/oder des Signalempfänger
zugeordnete, zur Strahlformung dienende gekrümmte Oberflächen oder
als Umlenkspiegel dienende Außenflächen aufweisen.
Somit können entsprechende Komponenten bereits mit der
Schaffung der Umhüllung, insbesondere im Kunststoffspritzgussverfahren,
kostengünstig hergestellt werden. Sofern notwendig, können
zur Gewährleistung der optischen Eigenschaften der optischen
Komponenten reflektierende Oberflächenbeschichtungen, Antireflexbeschichtungen
und/oder Oberflächenbehandlungen zur Veränderung
der optischen Dichte des Umhüllungsmaterials vorgesehen werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anschlussstutzen
und/oder der Koppelstutzen einstückig mit der Umhüllung
der Leiterplatte ausgebildet sind. Durch die einstückige Anformung
des Anschlussstutzens und/oder des Koppelstutzens, die insbesondere
im Kunststoffspritzgussverfahren erfolgen kann, ist eine kostengünstige
Herstellung des Sensormoduls möglich. Durch die einstückige
Ausgestaltung wird zudem eine besonders kompakte Bauweise des Sensormoduls
begünstigt.
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Vorteilhaft
ist es, wenn sich das für eine verlustarme Transmission
der elektromagnetischen Wellen ausgebildete Material der Umhüllung
bis zu einer Stirnseite des Grundkörpers, insbesondere
der Leiterplatte erstreckt, an der eine optische Ausgabeeinrichtung
zur Ausgabe eines optischen Signals angeordnet ist. Dadurch kommt
dem Umhüllungsmaterial neben seiner Funktion als Schutz
gegen Umwelteinflüsse und gegebenenfalls als Wellenleiter
für die elektromagnetischen Wellen des Signalgebers und/oder
des Signalempfängers auch die Aufgabe als Wellenleiter
für optische Signale, die von einer optischen Ausgabeeinrichtung,
insbesondere einer Leuchtdiode, abgegeben werden, zu. Die optische Ausgabeeinrichtung
kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, die Position des Ventilglieds
der Ventileinrichtung für einen Benutzer rasch sichtbar
zu machen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der
Umhüllung im Bereich des Anschlussstutzens und/oder des
Koppelstutzens eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Dichteinrichtung
ausgebildet ist, die für eine abdichtende Verbindung zwischen
dem Anschlussstutzen und dem Ventilgehäuse und/oder zwischen
einer Fluideinrichtung und dem Koppelstut zen dient. Bei der Ausnehmung handelt
es sich vorzugsweise um eine umlaufende, kreisringförmige
Nut, in der ein als O-Ring ausgebildetes Dichtelement aufgenommen
werden kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die vom Signalgeber abgegebenen elektromagnetischen Wellen
zur Reduzierung von Störeinflüssen codiert, insbesondere amplitudenmoduliert,
sind. Durch die Codierung, die beispielsweise durch Modulation der
Amplitude der abgegebenen elektromagnetischen Wellen erfolgen kann,
kann der Einfluss von nicht oder nicht in gleicher Weise modulierten
Störeinflüssen, beispielsweise Streulicht, vermindert
werden.
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Für
eine Ventilanordnung wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst,
dass die Ventilanordnung mindestens eine Ventileinrichtung und mindestens
ein erfindungsgemäßes Sensormodul aufweist. Bei
der Ventilanordnung kann es sich beispielsweise um eine aus mehreren
gleichartigen oder unterschiedlichen Ventileinrichtungen gebildete
Ventilbatterie handeln, bei der die Ventileinrichtungen in einer Reihe
aneinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind. Dabei
ist zumindest einem Teil der Ventileinrichtungen ein erfindungsgemäßes
Sensormodul zugeordnet. Durch die Zwischenschaltung eines Sensormoduls
zwischen die Ventileinrichtung und ein entsprechendes Anschlussmodul,
das beispielsweise als Verteilerplatte mit einer Vielzahl von Fluidkanälen
ausgebildet sein kann, ergibt sich eine zusätzliche Beabstandung.
Somit müssen diejenigen Ventileinrichtungen, denen kein
Sensormodul zugeordnet wird, mit einer an die äußere
Gestalt des Sensormoduls angepassten Distanzeinrichtung versehen
werden, so dass sich eine einheitliche Koppelfläche zwischen
der Ventilanordnung und dem zugehörigen Anschlussmodul
ergibt.
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Für
ein Verfahren zur Bestimmung einer Ventilstellung in einer Ventileinrichtung
wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass die
Ventileinrichtung mit einem erfindungsgemäßen
Sensormodul versehen ist und die Schritte: Aussenden von elektromagnetischen
Wellen mittels eine Signalgebers in einen von einem zur Fluidführung
dienenden Ventilkanal gebildeten Detektionskanal im Ventilgehäuse, Empfangen
der am Ventilglied reflektierten elektromagnetischen Wellen mittels
eines Signalempfängers aus dem Detektionskanal und Auswerten
der empfangenen elektromagnetischen Wellen vorgenommen werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Dabei zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung durch eine Ventilanordnung, die eine Ventileinrichtung,
ein Sensormodul und ein Verteilermodul umfasst,
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2 eine
perspektivische Darstellung des Sensormoduls gemäß der 1,
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3 eine
Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines
Sensormoduls,
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4 eine
Draufsicht auf das Sensormodul gemäß der 3,
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5 eine perspektivische Darstellung des Sensormoduls
gemäß der 3,
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6 eine
Ausschnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines
Sensormoduls,
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7 eine
Ausschnittdarstellung einer vierten Ausführungsform eines
Sensormoduls.
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Eine
in der 1 schematisch dargestellte Ventilanordnung 10 umfasst
eine Ventileinrichtung 12, die kommunizierend mit einem
Verteilermodul 16 gekoppelt ist, wobei zwischen der Ventileinrichtung 12 und
dem Verteilermodul 16 ein Sensormodul 14 angeordnet
ist.
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Die
Ventileinrichtung 12 ist, insbesondere als elektrisch betätigbares,
pneumatisches Wegeventil ausgebildet und umfasst mehrere in einem
Ventilgehäuse 17 ausgebildete Ventilkanäle 18, 20, 22, 24, 26,
die an Außenoberflächen des Ventilgehäuses 17 in
Ventilkanalausmündungen 19, 21, 23, 25, 27 münden.
Der Ventilkanal 18 ist als Versorgungskanal ausgebildet
und steht mit einem druckluftführenden Zuleitungskanal 28 des
Verteilermoduls 16 in kommunizierender Verbindung. Die
Ventilkanäle 20 und 22 sind als Entlüftungskanäle
ausgebildet und stehen mit Abluftkanälen 30 bzw. 32 in
kommunizierender Verbindung. Die Ventilkanäle 24, 26 sind
Arbeitskanäle zum Anschließen eines zu betätigenden
Verbrauchers. Alle Ventilkanäle 18, 20, 22, 24, 26 münden
in eine Ventilkammer 34, in der ein stangenartig ausgebildetes,
mit mehreren Einschnürungen versehenes Ventilglied 36 schiebbeweglich
angeordnet ist. Das Ventilglied 36 begrenzt mit mehreren
längs seiner axialen Erstreckung abdichtend anliegenden
und in nicht näher dargestellten Nuten in der Ventilkammer 34 festgelegten
Dichtungen 38 mehrere Ventilkanalabschnitte. Die Ventilkanalabschnitte
stellen je nach axialer Position des Ventilglieds 36 eine
kommunizierende Verbindung zwischen dem Versorgungskanal 18 oder
den Entlüftungskanälen 20 oder 22 und
den Arbeitskanälen 24 und 26 her, die
mit einer nicht dargestellten fluidischen Arbeitseinrichtung verbindbar
sind.
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Jeweils
endseitig begrenzen die Ventilkammer 34 und das Ventilglied 36 in
Wirkverbindung mit der jeweiligen Dichtung 38 einen Antriebsraum 40.
In die Antriebsräume 40 münden jeweils
Steuerleitungen 42, die von dem im Versorgungskanal 18 bereitgestellten
Fluid durch nicht dargestellte, elektromechanische Ventileinrichtungen
beaufschlagbar sind. In Abhängigkeit von der Druckbeaufschlagung
der Antriebsräume 40 erfolgt eine axiale Verlagerung
des Ventilglieds 26 in der Ventilkammer 34. Je
nach Stellung des Ventilglieds 36 kann eine kommunizierende Verbindung
zwischen jeweils einem der Arbeitskanäle 24, 26 und
einem der Entlüftungskanäle 20, 22 vorliegen.
Dadurch wird eine Entlüftung des jeweils nicht druckbeaufschlagten
Bereichs der Arbeitseinrichtung gewährleistet.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform des Sensormoduls 14 ist
zur Gewährleistung einer besonders hohen Betriebssicherheit
des Sensormoduls 14 jedem der beiden Entlüftungskanäle 20, 22 eine Sensoranordnung 44, 46 zugeordnet.
Beide Sensoranordnungen 44, 46 sind für
eine optische Abtastung der axialen Position des Ventilglieds 36 ausgebildet.
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Die
Sensoranordnungen 44, 46 umfassen jeweils mehrere,
nicht näher bezeichnete elektrische Bauelemente, die auf
einer als gedruckten Schaltung ausgebildeten Leiterplatte 48 angeordnet
sind, sowie jeweils einen Signalgeber 50, 52 und
jeweils einen Signalempfänger 54, 56.
Die Signalgeber 50, 52 sind jeweils exemplarisch
als Laserdioden ausgebildet, die elektro magnetische Wellen, insbesondere
im spektralen Bereich des sichtbaren Lichts, abgeben. Die Signalempfänger 54, 56 sind
beispielsweise als lichtempfindliche Dioden ausgebildet, die in
ihrer Lichtempfindlichkeit an die von den Signalgebern 50, 52 abgegebenen
elektromagnetischen Wellen angepasst sind. Die Leiterplatte 48 mit
den darauf angebrachten elektrischen Bauteilen und den Signalgebern 50, 52 sowie
den Signalempfängern 54, 56 ist zumindest
nahezu vollständig von einer für die elektromagnetischen
Wellen optisch transparenten Hülle 58 umgeben.
Die Hülle 58 kann beispielsweise als im Kunststoffspritzgussverfahren
aufgebrachte Kunststoffbeschichtung ausgebildet sein. Endseitig
an der Leiterplatte 48 ist ein nicht von der Hülle 58 umfasster elektrischer
Steckverbinder 60 angeordnet. Der Steckverbinder 60 dient
der elektrischen Versorgung der auf der Leiterplatte 48 angebrachten
elektrischen Komponenten und der Weiterleitung der von den Signalempfängern 54 und 56 sowie
zugeordneten, nicht näher bezeichneten Auswerteschaltungen
bereitgestellten elektrischen Signale.
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Die
Leiterplatte 48 und die Hülle 58 sind
im Bereich der Signalgeber 50, 52 und der Signalempfänger 54, 56 jeweils
mit Ausnehmungen 62, 64 versehen. Zusätzlich
ist zwischen den Sensoranordnungen 44, 46 eine
weitere Ausnehmung 66 angeordnet, die wie die Ausnehmungen 62 und 64 als
Durchgangsbohrung durch die Leiterplatte 48 und die Hülle 58 ausgebildet
ist. Die Ausnehmungen 62, 64, 66 gewährleisten
eine kommunizierende Verbindung zwischen den Ventilkanälen 18, 20, 22 und
den jeweils zugeordneten Abluftkanälen 30, 32 bzw.
dem Zuleitungskanal 28.
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An
der Hülle 58 sind jeweils den Signalempfängern 54, 56 zugeordnete,
stabförmige Lichtleiter 68, 70 einstückig
angeformt, die jeweils in den zugeordneten Entlüftungskanal 20, 22 bis
kurz vor das Ventilglied 36 hineinragen. Die Signalgeber 50, 52 geben
die elektromagnetischen Wellen außerhalb der Entlüftungskanäle 20, 22 durch
die Hülle 58 hindurch in Richtung des Ventilglieds 36 ab.
Nur für den Fall, dass dem jeweiligen Lichtleiter 68, 70 der
einschnürungsfreie Abschnitt des Ventilglieds 36 gegenüberliegt,
wie dies in der Darstellung der 1 für
die rechts dargestellte Sensoranordnung 46 der Fall ist, wird
eine ausreichende Anzahl von Lichtstrahlen, die ausgehend von den
Signalgebern 50, 52 an dem Ventilglied 36 reflektiert
wurden, in den Lichtleiter 70 eingekoppelt. Hingegen treten
die vom Signalgeber 50 ausgesendeten Lichtstrahlen nicht
in den Lichtleiter 68 ein, da sie nicht in entsprechender
Weise an dem mit der Einschnürung versehenen Abschnitt
des Ventilglieds 36 in Richtung des Lichtleiters 68 reflektiert
werden. Somit wird am zugeordneten Signalempfänger 54 ein
vorgebbarer Schwellwert für die Intensität der
eingekoppelten elektromagnetischen Wellen nicht überschritten
und die zugehörige, nicht näher dargestellte Auswerteeinrichtung
gibt ein entsprechendes Signal aus.
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Wie
aus der Darstellung der 2 hervorgeht, sind an der Hülle 58 an
einer Oberseite 72 und an einer nicht sichtbaren Unterseite 74 jeweils
im Bereich der Ausnehmungen 62, 64 und 66 konzentrisch zu
Mittelachsen der Ausnehmungen 62, 64, 66 angeordnete,
zirkular umlaufende Nuten vorgesehen. In den Nuten sind exemplarisch
als O-Ringe ausgeführte Dichtelemente 76 aufgenommen,
die für eine abdichtende Verbindung zwischen dem Sensormodul 14,
der Ventileinrichtung 12 und dem Verteilermodul 16 ausgebildet
sind.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass von der nicht näher dargestellten
Ansteuereinrichtung elektrische Energie an die beispielsweise als
Laserdioden ausgeführten Signalgeber 52, 54 bereitgestellt
wird. Diese strahlen elektromagnetische Wellen, insbesondere in Form
von monochromatischem Licht, in Richtung des Ventilglieds 36 ab.
Die von den Signalgebern 52, 54 ausgehenden elektromagnetischen
Wellen werden an der Oberfläche des zylindrischen, mit
Einschnürungen versehenen Ventilglieds 36 reflektiert.
Dabei werden bei der in 1 dargestellten Po sition des Ventilglieds 36 in
der Ventilkammer 34 die vom Signalgeber 50 ausgehenden
elektromagnetischen Wellen aufgrund der Geometrie des Ventilglieds 36 vorwiegend
in Richtung der Mittelachse des Ventilglieds 36 abgelenkt.
Nur ein geringer Teil der am Ventilglied 36 reflektierten
elektromagnetischen Wellen treffen derart auf die Stirnfläche
des Lichtleiters 68 auf, dass sie in diesen eingekoppelt
werden und bis zum Signalempfänger 54 gelangen
können. Die vom Signalgeber 52 ausgehenden elektromagnetischen
Wellen werden hingegen so am Ventilglied 36 reflektiert, dass
sie überwiegend in den Lichtleiter 70 eingekoppelt
werden und von diesem bis zum Signalempfänger 56 weitergleitet
werden. Die am Signalempfänger 56 eintreffenden
elektromagnetischen Wellen rufen dort einen elektrischen Signalpegel
hervor, der von der nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung verarbeitet
wird. Anhand des beispielsweise vom Signalempfänger 56 bereitgestellten „High-Pegels” und eines
vom Signalempfänger 54 exemplarisch bereitgestellten „Low-Pegels” kann
die Auswerteeinrichtung die Position des Ventilglieds 36 ermitteln
und ein korrespondierendes Positionssignal ausgeben. Die Ausgabe
des Positionssignals kann insbesondere an eine elektrisch mit dem
Steckverbinder gekoppelte, nur schematisch dargestellte Überwachungseinrichtung 96 erfolgen,
die die Position einer Vielzahl von Ventileinrichtungen 12 überwacht
und jeweils einen Vergleich zwischen Sollstellungen und Iststellungen der über wachten
Ventilglieder 36 vornimmt. Ergänzend oder alternativ
kann eine Ausgabe des Positionssignals als optisches Signal mittels
einer auf der Leiterplatte 48 angebrachten Leuchtdiode 94 erfolgen.
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Bei
der nachstehenden Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele
von Sensormodulen werden für funktionsgleiche Bauteile
die gleichen Bezugszeichen verwendet. Abweichend gestaltete Komponenten
werden durch Voranstellen einer 1, 2 oder 3 bezeichnet.
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Bei
der in den 3 bis 5 dargestellten
zweiten Ausführungsform eines Sensormoduls 114 ist
an der Hülle 158 ein als Gewindestutzen ausgebildeter Anschlussstutzen 178 zur
Festlegung des Sensormoduls 114 an der Ventileinrichtung 112 vorgesehen. Vorliegend
ist der Anschlussstutzen 178 in den bereichsweise mit einem
Gewinde versehenen Ventilkanal 120 eingeschraubt. Zudem
ist an einer dem Anschlussstutzen 178 entgegengesetzten
Oberfläche der Hülle 158 ein Koppelstutzen 180 ausgebildet,
der zur Ankopplung einer Fluidleitung oder eines Arbeitselements,
das vorliegend als Schalldämpfer 182 ausgeführt
ist, dient. Der dem Signalempfänger 54 zugeordnete
Lichtleiter 168 ist, wie dies insbesondere aus den 4 und 5 hervorgeht, in den Anschlussstutzen 178 integriert.
Der Anschlussstutzen 178 weist hierzu eine schlitzartige
Ausneh mung 192 auf, in der sich der Lichtleiter 168 erstreckt.
Die Ausnehmung 192 dient dazu, eine Ausbreitung von Lichtstrahlen,
die in den Lichtleiter 168 eingekoppelt wurden, in den
Anschlussstutzen 178, der bereichsweise einstückig
mit dem Lichtleiter 168 ausgebildet ist, zumindest weitgehend
zu vermeiden, um damit einen vorteilhaften Lichtstrom zum Signalempfänger 54 zu gewährleisten.
Der Lichtleiter 168 ist abschnittsweise mit einem kreisrunden
Querschnitt ausgeführt und ragt mit einem Endbereich 184 in
den Entlüftungskanal 120 bis kurz vor das Ventilglied 36 hinein.
Dadurch wird erreicht, dass lediglich diejenigen vom Signalgeber 50 in
den als Detektionskanal dienenden Entlüftungskanal 120 ausgekoppelten
Lichtstrahlen über den Lichtleiter 168 zum Signalempfänger 54 weitergeleitet
werden, die an der einschnürungsfreien Oberfläche
des Ventilglieds 36 in Richtung des Lichtleiters 168 reflektiert
wurden.
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Um
Störeinflüsse auf den Lichtleiter 168 zu vermeiden,
ist dieser an seiner Außenoberfläche mit einer
nicht dargestellten optischen Sperrschicht, beispielsweise einer
Bedampfung, versehen, die ein Ein- und Austreten von elektromagnetischen
Wellen in den und aus dem Lichtleiter 168 verhindert. Die Sperrschicht
erstreckt sich nicht auf die dem Ventilglied 36 gegenüberliegende
Stirnfläche des Lichtleiters 168, um die Einkopplung
der am Ventilglied 36 reflektierten elektromagnetischen
Wellen in den Lichtleiter nicht zu behindern.
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Der
Signalgeber 50 ist exemplarisch als Laserdiode ausgeführt,
die ein Lichtbündel mit geringer Divergenz in Richtung
des Ventilglieds 36 aussendet, und ist vollständig
von der optisch transparenten Hülle 158 umgeben.
Für eine vorteilhafte Aussendung des Lichtbündels
ist in der Hülle 158 im Fußbereich des
Anschlussstutzens 178 ein den Signalgeber 50 umfassender
Vorsprung 188 ausgebildet. Der Vorsprung 188 ist
mit einer Planfläche 190 versehen, die als optische
Grenzfläche zwischen der Hülle 158 und dem
im Anschlussstutzen 178 strömenden Fluid dient.
Die Planfläche 190 ist orthogonal zu einer Hauptabstrahlungsrichtung
des Signalgebers 50 ausgerichtet.
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Der
Signalgeber 50 und der Signalempfänger 54 sind
zusammen mit weiteren elektrischen Bauelementen auf einer Leiterplatte 148 angeordnet und
bilden die Sensoranordnung 144. Die Leiterplatte 148 und
die Hülle 158 sind mit einer als Durchgangsbohrung
ausgebildeten Ausnehmung 162 versehen, die einer kommunizierenden
Verbindung zwischen der Bohrung im Anschlussstutzen 178 und
der Bohrung im Koppelstutzen 180 dient. Endseitig ist an der
Leiterplatte 148 ein Steckverbinder 60 angeordnet.
An einem dem Steckverbinder 60 entgegenge setzten Endbereich
der Leiterplatte 148 ist eine Leuchtdiode 194 angebracht,
die zur Ausgabe eines optischen Signals dient, das die von der Sensoranordnung 144 ermittelte
Position des Ventilglieds 36 repräsentiert.
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Bei
der in 6 dargestellten Ausführungsform eines
Sensormoduls 214 sind der Signalgeber 250 und
der Signalempfänger 254 in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht, das elektrisch mit der Leiterplatte 248 verbunden
ist. Die Hülle 258 ist aus einem Material hergestellt,
das eine hohe optische Transmission für die vom Signalgeber 250 ausgegebenen
elektromagnetischen Wellen aufweist. Um eine vorteilhafte Ausrichtung
der vom Signalgeber 250 ausgegebenen elektromagnetischen
Wellen zu erreichen, ist an der Hülle 258 im Bereich
der Ausnehmung 262 eine in den Querschnitt der Ausnehmung 262 hineinragende
Nase 288 ausgebildet, in der der kombinierte Signalgeber 250/Signalempfänger 254 angeordnet
ist. Oberhalb des Signalgebers 250/Signalempfängers 254 ist
eine Strahlformungseinrichtung 286 angeordnet, die als
bikonvexe Linse ausgebildet ist.
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Der
Strahlformungseinrichtung 286 kommt die Aufgabe zu, die
vom Signalgeber 250 ausgegebenen elektromagnetischen Wellen
in Richtung des Ventilglieds 36 zu bündeln und
die am Ventilglied 36 reflektierten elektromagnetischen
Wellen mit hohem Wirkungsgrad auf den Signalempfänger 254 auftreffen
zu lassen. Die Strahlformungseinrichtung 286 ist exemplarisch
als separate Linse aus Glas ausgebildet. Die Linse ist mit einem
geeigneten optischen Kitt stoffschlüssig auf die aus Kunststoffmaterial
hergestellte Hülle 258 aufgeklebt.
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Bei
einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung
ist das Strahlformungselement einstückig als gekrümmte,
vorzugsweise asphärisch gekrümmte, Oberfläche
der Nase ausgebildet.
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Die
vom Signalgeber 250 ausgegebenen elektromagnetischen Wellen
treffen nur dann in ausreichender Anzahl auf dem Signalempfänger 254 auf,
sofern sich das Ventilglied 36 abweichend von der in 6 dargestellten
Stellung mit dem einschnürungsfreien Bereich zwischen den
zwei dargestellten Dichtungen 38 befindet. Ansonsten wird
nur eine geringe Anzahl von elektromagnetischen Wellen in den Signalempfänger 254 eingekoppelt,
so dass dort ein vorgegebener Schwellwert für die gemessene
Intensität der elektromagnetischen Wellen nicht überschritten
wird. In diesem Fall wird in der nachgeschalteten, nicht näher
dargestellten Auswerteeinrichtung ein Signal hervorgerufen, das
die entsprechende Position des Ventilglieds 36 angibt.
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Bei
der Ausführungsform eines Sensormoduls 314 gemäß der 7 ist
der Signalgeber 350 oberhalb der Leiterplatte 348 angeordnet,
während der Signalempfänger 354 unterhalb
der Leiterplatte 348 angeordnet ist. Sowohl dem Signalgeber 350 als auch
dem Signalempfänger 354 ist jeweils eine als bikonvexe
Linse ausgebildete Strahlformungseinrichtung 386 zugeordnet,
die aus einem optisch dichteren Material, beispielsweise Glas, als
die Hülle 358 hergestellt ist. An der, vorzugsweise
aus Kunststoff hergestellten, Hülle 358 ist im
Bereich der Ausnehmung 62 eine in den freien Querschnitt
der Ausnehmung hineinragende Nase 388 ausgebildet. An der Nase 388 ist
eine dem Ventilglied 36 abgewandte Planfläche 390 ausgebildet,
die mit einer optisch undurchlässigen Beschichtung versehen
ist, so dass für die aus dem Signalgeber 350 austretenden
elektromagnetischen Wellen sowie für die am Ventilglied 36 reflektierten
und in die Nase 388 eingekoppelten elektromagnetischen
Wellen eine Totalreflektion in der Art eines Spiegels erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29721983
U1 [0002]
- - DE 60015661 T2 [0003]
- - EP 0844425 A1 [0003]
- - DE 60129900 T2 [0004]
- - DE 20116202 U1 [0005]