DE102008062538A1

DE102008062538A1 - Anordnung und Verfahren zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb eines Funktionsbereichs eines Sensors

Info

Publication number: DE102008062538A1
Application number: DE102008062538A
Authority: DE
Inventors: Robert Buck
Original assignee: Individual
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009080632A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb eines Funktionsbereichs eines Sensors mit mindestens einem Sensorelement, welches ein elektrisches Ausgangssignal liefert, wobei das Ausgangssignal durch mechanische und/oder elektrische Aktionen variierbar ist, und mit mindestens einer induktiven oder magnetischen Einrichtung und einem Körper, dessen relativer Abstand sich strömungsabhängig zu einem Sensorelement ändert, wobei das Sensorelement ein analoges elektrisches Ausgangssignal liefert, welches in einem vorgegebenen Maß von der Bewegung des Körpers und damit dem Durchfluss oder der Strömung eines fluiden Mediums abhängig ist. Erfindungsgemäß ist eine Bewertungseinheit vorgesehen, welche untersucht, ob das elektrische Sensorelement-Ausgangssignal in einem vorgegebenen Funktionsbereich liegt, wobei die Bewertungseinheit mit einem Anzeigemodul in Verbindung steht und die Bewertungseinheit bei Vorliegen eines Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb des Funktionsbereichs einen Wert ausgibt. Verfahrensseitig wird durch mechanische und/oder elektrische Aktionen das Ausgangssignal für eine bevorzugte Position des Körpers so eingestellt, dass es innerhalb eines vorbestimmten Funktionsbereichs liegt, wobei das Erreichen des Funktionsbereichs ermittelt und angezeigt oder dargestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einstellung und/oder Kontrolle des Funktionsbereichs eines Sensors gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Einstellung und/oder Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb eines Funktionsbereichs gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 29 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage, welche strömende Medien und ein Strömungsmessgerät aufweist, gemäß Patentanspruch 41.
Es ist bekannt, zur Einstellung des Schaltabstands von Sensoren, die z. B. Näherungsschalter aufweisen, ein geeignetes Kalibrierungsobjekt in einem vorbestimmten Abstand zum Sensor bzw. Näherungsschalter anzuordnen.
Typischerweise wird dann der Abstand zum Sensor so lange verändert, bis ein Schaltsignal definierter Größe anliegt. In einem nächsten Schritt wird der Abstand dann sukzessive wieder erhöht, bis das Schaltsignal abfällt. Die so erhaltene Position wird als Arbeitspunkt des Sensors festgelegt und z. B. in einem Produktdatenblatt fixiert.
Die vorstehend erläuterte Einstellung des Arbeitspunktes hat jedoch den Nachteil, dass zwar die Schaltschwelle als elektrisches Signal erkennbar, jedoch der danach festgelegte Arbeitspunkt nur mit einer undefinierten Schwankungsbreite einstellbar ist. Darüber hinaus kann sich der eingestellte Arbeitspunkt, z. B. durch Vibrationen im oder am Einsatzort des Sensors oder aber temperaturbedingt verändern, ohne dass die Möglichkeit einer Überprüfung mit gegebenenfalls erneuter Kalibrierung besteht.
Eine Einstellung und Funktionsüberwachung von Strömungssensoren ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Strömungssensoren einen in das strömende Medium hineinragenden Hubkörper aufweisen, wobei der Hubkörper an einem Gehäuse beweglich geführt und in Abhängigkeit von der Strömung des zu überwachenden Mediums gegen die Rückstellkraft eines zwischen dem Gehäuse und dem Hubkörper angeordneten Rückstellelements bewegbar ist. In diesem Fall kann das Sensorelement beispielsweise als berührungsloser Näherungsschalter ausgebildet sein und ein von der Position des Hubkörpers abhängiges Signal erzeugen.
Ein derartiger Strömungssensor ist in der WO 2005/124291 A1 offenbart. Bei einem derartigen analogen Sensor mit induktiven oder aber auch magnetischen Sensorelementen hängt die exakte Arbeitsweise davon ab, ob und inwieweit der Bewegungs- oder Hubbereich des Hubkörpers optimal ausgenutzt wird. Hier ist es wünschenswert, eine Kalibrierung und Einstellung eines in einem Fluidkreis befindlichen Durchflusssensors auch gegebenenfalls vor Ort mit einfachen Mitteln vornehmen zu können. Bei einer solchen Kalibrierungseinstellung muss dem Nutzer zumindest signalisiert werden, ob der Sensor im jeweiligen Applikationsfall bei einer Durchflussänderung korrekt arbeitet und ob noch Schaltreserven vorhanden sind.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Kalibrierung und/oder Kontrolle eines Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb eines Funktionsbereichs von Sensoren mit mindestens einem Sensorelement, welches ein elektrisches Ausgangssignal liefert, anzugeben, wobei das Ausgangssignal selbst durch mechanische und/oder elektrische Aktionen variierbar ist.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb eines Funktionsbereichs von Sensoren, insbesondere eines Strömungssensors zu schaffen, wobei der Sensor mindestens eine induktive oder magnetische Einrichtung und einen Körper aufweist, dessen relativer Abstand sich strömungsabhängig zu einem Sensorelement ändert. Das Sensorelement liefert ein elektrisches, insbesondere analoges Ausgangssignal, welches in einem vorgegebenen Maß von der Bewegung des Körpers und damit dem Durchfluss oder der Strömung eines fluiden Mediums abhängig ist. Hier gilt es, eine Lösung anzugeben, mit deren Hilfe nicht nur einmalig und vor Ort beim installierten Sensor dessen Einstellung und Funktionsweise optimierbar ist, sondern welches auch eine kontinuierliche oder quasi kontinuierliche Funktionsüberprüfung ermöglicht.
Letztendlich sollen die Kosten der Anordnung zur Einstellung und/oder Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals, welche zur Durchführung des Verfahrens zweckmäßigerweise Verwendung finden, gering gehalten werden, um eine entsprechende Kundenakzeptanz zu erreichen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Anordnung zur Einstellung und/oder Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb eines Funktionsbereichs von Sensoren gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, mit einem Verfahren zur Einstellung aber auch Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals von Sensoren, die mindestens eine induktive oder magnetische Einrichtung und einen Körper aufweisen, dessen relativer Abstand sich strömungsabhängig zur einem Sensorelement ändert, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 29, mit einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, wie es mit der Lehre nach Anspruch 38 definiert ist, und mit einem Verfahren zum Betreiben gemäß Anspruch 41.
Die Anordnung zur Einstellung und/oder Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals geht von mindestens einem Sensor aus, der mindestens ein Sensorelement aufweist, welches ein elektrisches, insbesondere analoges Ausgangssignal liefert und wobei das Ausgangssignal durch mechanische und/oder elektrische Aktionen, z. B. durch das Ändern einer mechanischen Vorspannung eines Hubkörpers variierbar ist.
Gemäß dem anordnungsseitigen Grundgedanken der Erfindung ist eine Bewertungseinheit vorgesehen, der das von dem mindestens einen Sensorelement erzeugte elektrische Ausgangssignal zugeführt wird.
Die Bewertungseinheit überprüft, ob das elektrische Sensorelement-Ausgangssignal in einem vorgegebenen Wertebereich bzw. Funktionsbereich liegt. Die Bewertungseinheit steht darüber hinaus mit einem Anzeigemodul in Verbindung. Das Anzeigemodul ist in der Lage, das von der Bewertungseinheit aufbereitete Ergebnis darzustellen, und zwar beispielsweise mit Hilfe einer optoelektronischen Baugruppe, die im einfachsten Fall ein oder mehrere lichtemittierende Dioden (LED) umfasst. Im Funktionsbereich kann ein oder können mehrere, vorgegebene Arbeitspunkte des Sensors liegen.
Die Bewertungseinheit befindet sich in einem ersten Stromkreis und das Anzeigemodul in einem zweiten Stromkreis, wobei beide Stromkreise von einer übergeordneten Stromversorgung gespeist werden, jedoch der erste Stromkreis für die Bewertungseinheit mit einer stabilisierten Spannung versorgt ist. Der Stromkreis für das Anzeigemodul bleibt unstabilisiert, so dass ohne größeren schaltungstechnischen Aufwand höhere Treiberströme für die beispielhaft erwähnten lichtemittierenden Dioden bereitstellbar sind.
Weiterhin ist ein Übertragungsmodul zwischen der Bewertungseinheit und dem Anzeigemodul vorgesehen. Mit Hilfe des Übertragungsmoduls wird der von der Anzeige darzustellende relevante Signalverlaufausschnitt definiert und es erfolgt eine stromseitige Steuerung des Anzeigemoduls.
Das Übertragungsmodul weist ein von der elektrischen Ausgangsgröße der Bewertungseinheit angesteuertes, im zweiten Stromkreis liegendes Steuerelement auf. Dieses Steuerelement ist bei einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung ein Transistor.
Der Sensor kann bei einer bevorzugten Ausführungsvariante und Applikation der erfindungsgemäßen Anordnung als Strömungssensor ausgebildet sein und induktive oder magnetische Einrichtungen mit einem Körper aufweisen, dessen relativer Abstand sich strömungsabhängig zum Sensorelement ändert, wobei die Sensorelement-Ausgangsspannung in einem vorgegebenen Maß von der Bewegung des Körpers und damit dem Durchfluss oder der Strömung eines fluiden Mediums abhängig ist.
Wiederum bevorzugt ist der Körper als Hubkörper ausgebildet.
Die Bewertungseinheit stellt bei dieser Ausführungsvariante fest, ob das erhaltene, auf einer Strömungsänderung basierende Ausgangssignal in einem vorgegebenen Spannungsfenster liegt.
Die Bewertungseinheit ermittelt, ob und inwieweit das insbesondere analoge Ausgangssignal im Wesentlichen linear von der Bewegung des Körpers, insbesondere Hubkörpers Veränderungen unterliegt.
Das Anzeigemodul kann nicht nur eine optoelektronische Baugruppe in Form einer oder mehrerer LEDs, sondern auch oder ergänzend eine akustische Baugruppe umfassen, um das Vorliegen eines Sensorelement-Ausgangssignals innerhalb des Funktionsbereichs oder eine Abweichung von diesem deutlich zu signalisieren.
Beim Erreichen des gewünschten Funktionsbereichs kann die optoelektronische und/oder akustische Baugruppe entweder ein maximales oder ein minimales Signal erzeugen.
Die Bewertungseinheit weist ausgestaltend eine Reihenschaltung aus einem Einkopplungsmodul und einem Auskopplungsmodul auf.
Das elektrische Sensorelement-Ausgangssignal liegt am Einkopplungsmodul an.
Das Einkopplungsmodul besitzt einen Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps und das Auskopplungsmodul mindestens einen Transistor eines zweiten Leitfähigkeitstyps.
Das elektrische Sensorelement-Ausgangssignal wird der Basis des Transistors des Einkopplungsmoduls zugeführt, wobei über der Reihenschaltung aus Einkopplungsmodul und Auskopplungsmodul die Betriebsspannung, und zwar in stabilisierter Form anliegt.
Am Transistor des Einkopplungsmoduls ist ein Emitterwiderstand angeschlossen, wobei in der Kollektorstrecke eine Reihenschaltung aus einer Diodenstrecke und einem Widerstand befindlich ist, welcher auf das positive Betriebsspannungspotential führt.
Am Kollektor des Transistors des Einkopplungsmoduls ist die Basis des Transistors des Auskopplungsmoduls angeschlossen.
Bei einer ausgestaltenden Variante kann der Transistor des Auskopplungsmoduls als Stromspiegelschaltung realisiert werden.
Das Spannungsteilerverhältnis des Emitterwiderstands des Transistors des Einkopplungsmoduls und des Widerstands, der sich am Kollektor des Transistors des Einkopplungsmoduls befindet, bestimmt, bei welcher Eingangsspannung an der Basis des Transistors des Einkopplungsmoduls ein maximaler Strom durch das Auskopplungsmodul zur Verfügung steht.
Der Kollektor des Transistors des Auskopplungsmoduls steht mit der Basis eines Transistors des Übertragungsmoduls in Verbindung, wobei die Basis des Transistors des Übertragungsmoduls über einen ersten Widerstand und der Emitter des Transistors des Übertragungsmoduls über einen zweiten Widerstand am negativen Betriebsspannungspotential liegt.
Das Verhältnis der vorstehend erwähnten Widerstände bestimmt quasi den vom Anzeigemodul darstellbaren Ausschnitt, wobei der Widerstandswert des zweiten Widerstands am Emitter des Transistors des Übertragungsmoduls den maximalen Strom definiert, der durch die optoelektronische Baugruppe bzw. die Mittel der Anzeigeeinrichtung fließt.
Demnach ist bei einer Ausführungsform der Erfindung am Kollektor des Transistors des Übertragungsmoduls mindestens eine, bevorzugt eine Reihenschaltung mehrerer LEDs angeschlossen.
Die Transistoren des Einkopplungsmoduls und des Übertragungsmoduls können Elemente bzw. Bausteine einer Doppeltransistoranordnung desselben Leitfähigkeitstyps sein.
Verfahrensseitig wird erfindungsgemäß eine Methodik zur Einstellung aber auch zur Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals von Sensoren mit mindestens einer induktiven oder magnetischen Einrichtung und einem Körper vorgeschlagen, dessen relativer Abstand sich strömungsabhängig zu einem Sensorelement ändert, wobei das Sensorelement ein analoges elektrisches Ausgangssignal liefert, welches in einem vorgegebenen Maß von der Bewegung des Körpers und damit dem Durchfluss oder der Strömung eines fluiden Mediums abhängig ist.
Zum Ausführen der Einstell- und Kontrolloperation wird nach Installation des Sensors im betreffenden Fluidkreis des zu überwachenden Mediums eine Aktion, z. B. ein Öffnen oder Schließen des Fluidkreises oder eines in diesem befindlichen Verbrauchers ausgelöst.
Während der Aktion wird das sich ändernde analoge Ausgangssignal mit Hilfe einer Bewertungseinheit dahingehend untersucht, ob das erhaltene, auf einer Strömungsänderung basierende analoge Ausgangssignal in einem vorgegebenen Fensterbereich liegt, wobei hierfür die Bewertungseinheit feststellt, ob und inwieweit das analoge Ausgangssignal im Wesentlichen z. B. linear oder entlang einer vorgegebenen Kurve von der Bewegung des Körpers Veränderungen unterliegt. Letztendlich erfolgt eine Anzeige des erreichten Fensters und des entsprechenden linearen Bereichs. Diese Anzeige kann in einer einfachen Variante mit Hilfe einer Helligkeitssteuerung für eine optoelektronische Baugruppe, die lichtemittierende Dioden umfasst, erfolgen.
Der sich bewegende bzw. verschiebliche Körper ist bevorzugt als Hubkörper ausgebildet, wobei die Hubbewegung von der Strömung oder einer Strömungsänderung des fluiden Mediums abhängig ist.
Die vorerwähnte Anzeige, welche eine optoelektronische Baugruppe umfasst, kann das Erreichen des Fensters bzw. die Lage des Sensorsignals innerhalb des Funktionsbereichs über eine Farbe, eine Farbänderung, einen Farbübergang und/oder über eine Helligkeitsänderung, z. B. das Erreichen einer maximalen Helligkeit, signalisieren.
Bei einem Nichterreichen des gewünschten Funktionsbereichs des jeweiligen Strömungssensors wird der Verstellweg des insbesondere Hubkörpers, der Abstand des Hubkörpers zum Sensorelement und/oder die mechanische Vorspannung des Hubkörpers eingestellt bzw. justiert. Die Auswahl des Funktionsbereichs hängt vom Einsatzfall ab und ist prinzipiell frei wählbar. So kann der Funktionsbereich z. B. auf einen einzuhaltenden Strömungsminimalwert bei der Kühlung eines Schweißroboters oder auf einen Nullwert, z. B. bei einer Warmwasser-Versorgungsanlage eingestellt werden.
Erfindungsgemäß ist auch im laufenden Betrieb des oder der Sensoren die Anzeige mittels optoelektronischem Bauelement oder dergleichen ständig oder zyklisch in Funktion befindlich, um den Arbeitszustand bzw. Funktionsbereich zu überwachen sowie um bei Notwendigkeit eine Korrektur vornehmen zu können.
Die üblicherweise in einem Fluidkreis, z. B. einem Warmwasserkreislauf einer Hauswasserversorgung anfallenden Aktionen wie öffnen oder Schließen eines Verbrauchers werden automatisch für die zu vollziehende Überprüfung mittels der Bewertungseinheit genutzt, d. h. es ist beim üblichen Betrieb einer entsprechenden Anlage mit einem Strömungssensor die Grundlage für eine laufende Überwachung der Einstellung des Sensorelement-Ausgangssignals geschaffen.
Die Anzeige kann ausgestaltend auch als Fernanzeige ausgebildet sein, um außerhalb der Mess- oder Kalibrieranordnung oder der Anordnung der Sensoren eine Betriebszustandskontrolle durchführen zu können.
Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Einstellung und/oder Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals von Sensoren, insbesondere Strömungssensoren, weist eine am Ausgang des oder der Sensorelemente schwellwertabhängig arbeitende Schaltung auf, welche einen maximalen Strom zur Ansteuerung der Anzeige dann bereitstellt, wenn die bewegungs- oder hubbedingte Schaltflanke der Ausgangsspannung des mindestens einen Sensorelements einen Mindestwert erreicht.
Der Mindestwert der Schaltflanke liegt bevorzugt bei der halben Betriebsspannung der Schaltung.
Es besteht außerdem die Möglichkeit, die Ausgangsspannung des oder der Sensorelemente auf eine Gruppe von Differenzverstärkern zu führen, die jeweils mit einer Treiberschaltung für eine optoelektronische Anzeige, insbesondere für lichtemittierende Dioden, verbunden sind, wobei die Differenzverstärker jeweils beim Erreichen eines definierten Spannungswerts aus dem bewegungs- oder hubabhängigen Spannungsbereich eine zugehörige Treiberschaltung aktivieren, so dass zugehörige Strömungswerte farbig, vielfarbig oder mit Farbübergängen im Sinn einer Ampelfunktion darstellbar sind.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung;
2 eine Prinzipschaltung zur Realisierung der in der erfindungsgemäßen Anordnung beschriebenen Lösung;
3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Funktion der Schaltung nach 2 unter Angabe der Verhältnisse zwischen dem vom Sensorelement gelieferten Sensorelement-Ausgangssignal U_E und der Betriebsspannung U_B sowie den Helligkeitsverlauf einer Gruppe von lichtemittierenden Dioden als Bestandteil des Anzeigemoduls;
4 eine prinzipielle Möglichkeit zur Festlegung verschiedener Spannungsbereiche als Fenster-Bereichsauswahl;
5 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strömungssensors;
6 einen typischen Sensorsignalverlauf mit einem vorbestimmten Funktionsbereich;
7 eine Auswahl des Funktionsbereichs im Bereich der größten Sensorsignalsteigung;
8 einen Strömungssensor mit Rückschlagklappe;
9 einen typischen Signalverlauf eines Sensors gemäß 8;
10 eine Prinzipschaltung eines Sensors mit Abgleichvorrichtung;
11 eine Ausführungsform eines Schrägsitzventils mit federbelasteter Rückschlagklappe und einem Sensor, der durch Verklemmen fixiert ist;
12a und 12b Schnittdarstellungen des Sensors und des Einschraubteils, wobei der Sensor durch Kreiskeilverbindungstechnik verstell- und fixierbar ist;
13 einen perspektivischen Schnitt des Einschraubteils mit Sensor und
14 ein Schrägsitzventils mit Ventilgehäuse und Gehäuseabzweig, wobei zwei Sensoren vorgesehen sind.
Bei dem Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein Einkopplungsmodul 110 vorhanden, welches mit einem Auskopplungsmodul 120 in Reihe geschaltet ist, und gemeinsam eine Bewertungseinheit 150 bzw. BE bildet. Über die Reienschaltung liegt die Betriebsspannung U_B1 einer staibiliserten Versorgubngsquelle gegen ein Bezugspotential U_Eo an. Im einfachsten Fall kann das Bezugspotential U_Eo auch ein Massepotential sein.
Das Einkopplungsmodul 110 ist mit einer Sensorausgangsspannung U_E eines nicht gezeigten Sensors und dem Bezugspotential U_Eo verbunden und beeinflust einen ersten Strom I₁, der zwischen dem Einkopplungsmodul 110 und dem Auskopplungsmodul 120 fließt.
Das Auskopplungsmodul 120 ist mit einem Übertragungsmodul 130 elektrisch verbunden. Zwischen beiden Modulen fließt ein zweiter Strom I₂.
Die Bewertungseinheit 150 is derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit von der Sensorausgangsspannung U_E der zweite Strom I₂ erzeugt wird, wobei der zweite Strom I₂ bei einer Sensorsignal-Ausgangsspannung U_E, die innerhalb eines vorbestimmten Spannungsfensters – eines sogenannten Funktionsbereichs U_B1 – liegt, maximale Werte annimmt und ansonsten im Wert abfällt.
Das Übertragungsmodul 130 ist mit einem Anzeigemodul 140 verbunden.
Das Übertragungsmodul 130 treibt in Abhängigkeit vom zweiten Strom I₂ einen dritten Strom I₃, der die notwendige Energie für die Anzeige des Anzeigemoduls 140, z. B. lichtemittierende Dioden liefert.
Die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 1 hat den Vorteil, dass die Bewertungseinheit 150 vorzugsweise mit einer stabilisierten Spannungsversorung U_B1 verbindbar ist, wobei das Anzeigemodul 140, das aufgrund des Leistungsbedarfs der Anzeige einen erhöhten Strombedarf aufweist, mit einer unstabilisierten Spannungsversorgung U_B2 versorgt werden kann.
Die Schaltung nach 2 geht von den in der 1 beschriebenen drei wesentlichen Funktionsbaugruppen aus. Diese Funktionsbaugruppen umfassen eine Bewertungseinheit, die aus einer Reihenschaltung aus einem Einkopplungsmodul 110 und einem Auskopplungsmodul 120 besteht.
Dem Einkopplungsmodul 110 wird die Spannung U_E zugeführt, welche der Ausgangsspannung des Sensorelements entspricht.
Über der Reihenschaltung liegt die Betriebsspannung U_B an, im Beispielsfall handelt es sich hier um eine stabilisierte Gleichspannung mit einem Wert von 5 V. Das Einkopplungsmodul 110 ist als Spannungs-Strom-Wandler mit Hilfe eines NPN-Transistors T_EM ausgeführt. Die Spannung am Eingang U_E kann z. B. im Bereich von 0 bis 5 V liegen.
Das Auskopplungsmodul 120 ist als Spannungs-Strom-Wandler mit mindestens einem PNP-Transistor T_AM ausgeführt.
Der Strom I₁ ergibt sich als Funktion der Eingangsspannung U_E, und zwar nach der Beziehung U_E – 0,7 V durch R_EM, wobei R_EM der Emitterwiderstand des Transistors T_EM ist. Der Betrag von 0,7 V entspricht der Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors T_EM.
Der Strom I₂ am Ausgang des Auskopplungsmoduls ergibt sich als Funktion von U₂, d. h. der Spannung, die über dem Widerstand R_AM abfällt, nach der Beziehung R_AM·I₁/R_A, wobei R_A den Emitterwiderstand des Transistors T_AM darstellt. Die dem Widerstand R_AM in Reihe geschaltete Diode D wirkt als Kompensationsdiode. Über dieser Diode fällt die Spannung U_BE ab, die dem Basis-Emitter-Übergang des PNP-Transistors T_AM entspricht.
Der Aussteuerungsbereich U_E besitzt eine untere Grenze U_E – U_BE NPN = U_E – 0,7 V und eine obere Grenze U_E – U_BE PNP = U_B – 0,7 V. Im Bereich von U_E = U_B/2 bis U_E = U_B ist der Transistor T_EM ständig leitend, d. h. die Kollektor-Emitter-Spannung von T_EM ist ständig nahe bei 0.
Der Strom I₁ nimmt von U_E – 0,7 V bei Strom 0 zu bis U_E = U_B/2 und erreicht dann seinen maximalen Wert.
Im Bereich U_E bis U_B – 0,7 V nimmt der Strom vom maximalen Wert 7 bis zum Stromwert 0 ab.
Bei der gezeigten Schaltung wird eine maximale Helligkeit der LEDs des Anzeigemoduls bei U_E = U_B/2 erreicht. Bei U_E > U_B/2 und gleichen Werten der Widerstände R_EM und R_AM nimmt die Helligkeit kontinuierlich ab, wobei diesbezüglich auf die grafische Darstellung auch des Helligkeitsverlaufs gemäß 2 verwiesen sei.
Der Strom I₂ gemäß der Darstellung nach 1 oder 2 gelangt auf ein Übertragungsmodul 3, was wiederum ausgangsseitig auf ein Anzeigemodul 4 führt. Das Anzeigemodul 4 umfasst die bereits erwähnten lichtemittierenden Dioden, die in einer Reihenschaltung angeordnet sind und auf einen nicht stabilisierten Betriebsspannungsanschluss U_B2 führen.
Konkret steht der Kollektor des Transistors T_AM des Auskopplungsmoduls 2 mit der Basis eines Transistors T_ÜM des Übertragungsmoduls 3 in Verbindung, wobei die Basis des Transistors T_ÜM über einen ersten Widerstand R_X und der Emitter des Transistors T_ÜM über einen zweiten Widerstand R_Y am negativen Betriebsspannungspotential angeschlossen sind.
Das Verhältnis der Widerstände R_X zu R_Y bestimmt den vom Anzeigemodul 4 darstellbaren Ausschnitt. Entsprechend dem Eingangswert an der Basis des Transistors T_ÜM wird ein Strom I₃ durch die Anzeigeeinheit getrieben, wobei dieser Strom z. B. Werte bis zu 10 mA erreichen kann, um ein effektives Betreiben, d. h. eine ausreichende Helligkeit der lichtemittierenden Dioden des Anzeigemoduls 140 zu bewirken.
Durch die Entkoppelung des stabilisierten Stromkreises U_B, an dem die Reihenschaltung aus den Modulen 110 und 120 angeschlossen ist und welche durch das Übertragungsmodul 130 realisiert wird, kann ein unstabilisiertes Betreiben der lichtemittierenden Dioden des Anzeigemoduls aus einem kostengünstigeren unstabilisierten Netzteil erfolgen.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Serienschaltung einer ersten bis dritten Zenerdiode Z₁, Z₂ und Z₃ vorgesehen ist, um einen ersten bis dritten Spannungsbereich I, II und III festzulegen.
Der Sensor S liegt hier an der stabilisierten Spannung an, die durch die Serienschaltung der Zenerdioden Z₁ bis Z₃ festgelegt wird. Die Betriebsspannungs-Versorgungsanschlüsse U_B1, U_Eo der Bewertungseinheit 150, BE sind wahlweise mit der Kathode bzw. Anode einer der Dioden, im gezeigten Beispiel mit der Diode Z₂, verbunden. Das Sensorelement-Ausgangssignal U_E führt auf einen entsprechenden Eingang der Bewertungseinheit, an deren Ausgang sich das Übertragungsmodul 130 befindet, welches das Anzeigemodul 140 mit beispielsweise vorhandenen lichtemittierenden Dioden ansteuert. Beispielsweise könnte gemäß der Darstellung nach 2 vorgesehen sein, eine Betriebsspannung für den Sensor S auf 18 V zu stabilisieren. Die Zenerdioden Z₁ bis Z₃ weisen hierbei jeweils eine Zenerspannung von 6 V auf, so dass sich in Summe die gewünschte Zenerspannung von 18 V ergibt.
Die Bewertungseinheit 150, BE wird in der dargestellten prinzipiellen Schaltungsanordnung erst dann in einen Anzeigebereich gelangen, wenn die Spannung U_E die Zenerspannung an der Diode Z₃ von 6 V überschreitet. Der Anzeigebereich wird verlassen, wenn die Spannung U_E die Summe der Zenerspannung der Dioden Z₂ und Z₃, also im gezeigten Beispiel 12 V übersteigt. Durch Verändern der Zenerspannung können unterschiedliche Spannungsbereiche dargestellt werden, in denen eine Funktionsbereichseinstellung des Sensors möglich ist.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Strömungssensor 1 im Längsschnitt. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise aus einem nicht oder wenig magnetisierbaren Material, beispielsweise Messing, Aluminium, Stahl oder entsprechende Legierungen, gefertigt. Das Gehäuse 2 weist einen Einlasskanal 24 und einen Auslasskanal 25 auf, vorzugsweise bezogen auf die Anordnung des Gehäuses bzw. des Strömungssensors 1 in einem Fluidkreis.
Das Gehäuse 2 besitzt weiterhin eine Öffnung für ein Einschraubteil 3, welches einen darin gelagerten Bewegungs- oder Hubkörper 6 mit seinem Führungsdorn in einer Führungsbohrung 12 aufnimmt. Die Führungsbohung 12 erstreckt sich bis in eine Kappe 11 des Einschraubteils 3, wobei Kappe 11 und Einschraubteil 3 vorzugweise einstückig ausgebildet sind.
Am zum Einlasskanal 24 weisenden Ende ist im oder am Bewegungs- oder Hubkörper 6 ein Permanentmagnet 19 vorgesehen. Der in den Einlasskanal 24 hineinragende Abschnitt des Bewegungs- oder Hubkörpers 6 weist eine Kegel- oder Konusform auf. Ferner weist der Hubkörper 6 einen umlaufenden Dichtbund 9 auf, der im geschlossenen Zustand in Kontakt mit einem Ventilsitz 10 gelangt. Ein Federelement 8, das sich am Hubkörper 6 und am Einschraubteil 3 abstützt, beaufschlagt den Hubkörper 6 mit einer Rückstellkraft.
Im Wesentlichen der Position des Permanentmagneten 19 im Bewegungs- oder Hubkörper 6 gegenüberliegend ist im Gehäuse 2 eine Durchgangsbohrung 21 im Gehäuse 2 eingebracht, um ein Einschraub-Sensorelement 26 mit entsprechender Messzelle 27 aufzunehmen.
Bei einer nicht vorhandenen Fluidströmung befindet sich der Hubkörper in seiner Ruheposition und liegt mit seinem umlaufenden Dichtbund 9 auf dem Ventilsitz 10 auf und nimmt einen minimalen Abstand zum Sensor 26 ein. Der Hubkörper 6 wird bei Vorliegen einer Fluidströmung entgegen der anliegenden Federkraft ausgelenkt. Der Auslenkungsweg des Hubkörpers 6 ist proportional zur Durchflussmenge Q des Fluids.
6 zeigt einen typischen Verlaufeines Sensorelement-Ausgangssignals U_E in Abhängigkeit eines Hubkörperabstands ds. Beim kleinstmöglichen Abstand ist das Sensorsignal maximal und nimmt mit zunehmendem Abstand ab. D. h. bei einem Strömungssensor gemäß 5 ist das Sensorsignal maximal, wenn sich der Hubkörper 6 des Strömungssensor 1 in Ruheposition befindet.
Die Ruheposition des Hubkörpers kann vorteilhaft als bevorzugte Position zur Kalibrierung des Sensors genutzt werden. Zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes ist es üblicherweise vorgesehen, den Abstand des Sensors so lange zu verändern, bis beispielsweise ein vorgegebener Schaltpunkt ausgelöst wird.
Erfindungsgemäß ist es jedoch vorgesehen, nicht einen Schaltpunkt, sondern einen Funktionsbereich vorzugeben, innerhalb dessen die Festlegung eines Schalt- bzw. Arbeitspunkt besonders vorteilhaft ist.
Zur Einstellung wird dann z. B. mechanisch der Abstand des Sensors ds so lange verändert, bis das Sensor-Ausgangssignal U_E innerhalb des vorgegebenen Funktionsbereichs U_B1 liegt. Es sei bemerkt, dass es auch denkbar ist, das Sensor-Ausgangssignal U_E durch elektrische Anpassungen zu verändern.
Nachdem nun durch mechanische und/oder elektrische Aktionen das Sensor-Ausgangssignal U_E innerhalb des vorgegebenen Funktionsbereichs U_B1 gesetzt wurde, kann es beispielsweise in einem weiteren Schritt vorgesehen sein, einen Arbeitspunkt festzulegen.
Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel ist die Überwachung einer Ruheposition eines Hubkörpers 6 eines Strömungssensors 1 gemäß 5, wobei sich das Sensor-Ausgangssignal U_E entsprechend dem in 6 dargestellten Signal verhält. Für einen Sensortyp mit einer maximalen Ausgangsspannung von beispielsweise 10 V könnte vorzugsweise ein Funktionsbereich U_B1 mit den Grenzen 9 und 10 V vorgesehen sein.
Befindet sich der Sensor in einem Abstand ds, der ein Sensorsignal U_E innerhalb der definierten Funktionsbereich-Spannungsgrenzen – hier 9 bis 10 V – bereitstellt, wird dies durch die Bewertungseinheit 150 in Verbindung mit dem Anzeigemodul 140 signalisiert. Für ein bevorzugtes Ausgangssignal U_E, dass bevorzugt in der Mitte des Funktionsbereichs U_B1 liegt – hier 9,5 V – kann es vorgesehen sein, dass die Bewertungseinheit 150 bzw. das Anzeigemodul 140 einen maximalen Wert ausgibt.
Zur Einstellung des Sensors ist es häufig am einfachsten, den Sensorabstand so einzustellen, dass das Sensorsignal in der Funktionsbereichsmitte liegt. Dies ist zwar nicht zwingend notwendig, erhöht aber die Betriebssicherheit des Strömungssensors, da hier der Abstand zu den vorgegebenen Bereichsgrenzen maximal ist.
Je nach Anwendungsfall kann es auch vorgesehen sein, das bevorzugte Sensor-Ausgangssignal U_E zwar innerhalb des Funktionsbereichs aber nicht zwingend mittig vorzugeben. In einem solchen Fall läge das Maximum des Anzeigesignals zwar innerhalb des Funktionsbereichs, jedoch außerhalb der Mitte.
Die Größe des bevorzugten Funktionsbereichs ist vorzugsweise so ausgelegt, dass Sensorsignaländerungen aufgrund Veränderungen der Ruheposition des Hubkörpers, beispielsweise aufgrund von Verschmutzungen oder anderen Effekten, innerhalb des vorgegebenen Funktionsbereichs bleiben.
Die Festlegung eines solchen Funktionsbereichs hat ferner den Vorteil, dass die Signalisierung des Funktionsbereichs nicht nur bei der Kalibrierung des Sensors hilfreich ist, sondern erlaubt auch, die Funktionsfähigkeit des Strömungssensors im Gebrauch zu überwachen.
Liegt keine Strömung am Sensor an, beispielsweise durch Absperren der Leitung oder durch eine bestimmte Betriebssituation, so befindet sich der Hubkörper im fehlerfreien Zustand in seiner Ruheposition und die vorgesehene Leuchtdiode leuchtet. Ist hingegen der Hubkörper beispielsweise blockiert oder derart verschmutzt, dass die Ruheposition nicht mehr erreicht wird, leuchtet eine Leuchtdiode im strömungsfreien Fall nicht mehr auf und weist somit auf eine Störung des Strömungssensors hin.
Die Bereitstellung eines Funktionsbereichs hat ferner den Vorteil, dass die Einstellung eines Arbeitspunktes erheblich erleichtert werden kann. Anstelle in üblicher Weise den Sensor auf einen Schaltpunkt zu positionieren, reicht es bei erfindungsgemäßen Vorgehen aus, den Sensor in einen vorgegebenen Funktionsbereich zu bringen. Vorteilhaft kann dann zusätzlich noch über die Helligkeitsänderung der Leuchtdiode die Bereichsmitte aufgefunden werden.
Damit der Sensor erst beim Vorliegen einer Strömung und nicht schon in der Ruheposition des Hubkörpers schaltet, ist es beim üblichen Vorgehen notwendig, nach dem zunächst über Abstandsänderungen der Schaltabstand erreicht wurde, den Abstand des Sensors wieder zu vergrößern. Das Schaltsignal liegt jedoch nur im Schaltabstand selbst vor, so dass der Abstand des Sensors für die Ruheposition – bei dem der Sensor nicht schalten soll – ohne Kontrollhilfen eingestellt werden muss.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass nach einer Fixierung des Sensors mit einem Sensorsignal U_E im vorgegebenen Funktionsbereich U_B1 ein Arbeitspunkt automatisch festgelegt werden kann.
Ist beispielsweise der Sensor bei einem Signalwert von 9,5 V fixiert worden, wäre es denkbar, den Arbeitspunkt AP bzw. die Schaltschwelle bei 9,2 V festzulegen. Dies hätte den Vorteil, dass ein Schaltsignal nicht bereits bei kleinsten Positionsänderungen des Hubkörpers – beispielsweise durch Erschütterungen o. a. – ausgelöst werden, sondern erst, wenn tatsächlich eine Strömung einsetzt.
Die Vorgabe eines Funktionsbereichs ist jedoch nicht zwingend mit der Vergabe eines Arbeitspunktes bzw. Festlegung einer Schaltschwelle verbunden. In einer Ausfuhrungsvariante gemäß 7 kann der Strömungssensor beispielsweise so ausgelegt werden, dass er nur auf Strömungsänderungen reagiert. Hierzu wird der Funktionsbereich vorzugsweise so festgelegt, dass der Funktionsbereich U_B1 ein Sensorsignalbereich mit möglichst großer Signalsteigung auswählt. Bei einer Kalibrierung der Ruheposition des Strömungssensors in diesem Bereich, werden bereits durch kleinste Positionsänderungen des Hubköpers große Signalveränderungen provoziert, die zuverlässig differentiell ausgewertet werden können.
Weiterhin ist es auch denkbar, sowohl Strömungsänderungen als auch die Durchflussmenge Q mit einem solchen System zu erfassen.
Einen weiteren bevorzugten Strömungssensor 1 zeigt 8. Die Bezugszeichen gemäß 5 wurden für gleichwirkende Elemente übernommen. Der mechanische Aufbau entspricht einem üblichen Schrägsitzventil mit Rückschlagklappe. Einlass- und Auslasskanal 24, 25 sind über einen schräg angeordneten Ventilsitz verbunden. Die Rückschlagklappe 6 verschließt im strömungslosen Zustand den Ventilsitz und verhindert eine Rückströmung in Richtung Einlasskanal 24.
Der Rückschlagklappe 6 gegenüberliegend ist ein Einschraubteil 3 mit einem Sensorelement 26 mit entsprechender Messzelle 27 angeordnet. Der Sensor 26 ist vorzugsweise als Magnetsensor oder induktiver Sensor ausgeführt. Zur Erfassung der Klappenposition weist die Rückschlagklappe 6 auf der Auslasskanalseite einen Magneten 19 auf.
Bei einsetzender bzw. zunehmender Strömung wird die Klappe 6 aus der Ruheposition ausgelenkt. Die Auslenkung ist im Wesentlichen proportional zur Durchflussmenge Q.
9 zeigt exemplarisch einen zu erwarten Verlauf der Sensorspannung Us in Abhängigkeit der Klappenöffnung (dmax – ds). Ohne Strömung befindet sich die Rückschlagklappe 6 in ihrer Ruheposition, der Sensorabstand ds ist maximal (ds = dmax) und das Sensorsignal U_E dementsprechend minimal. Bei zunehmender Strömung verringert sich der Abstand ds zum Sensor und das Sensorsignal U_E steigt an.
Zur Einstellung und/oder Kontrolle der Ruheposition des Strömungssensors ist ein Funktionsbereich U_B1 im Bereich kleiner Sensorspannungen aufgespannt. Wie bereits ausgeführt, kann über die Signalisierung einer Sensorspannung U_E, die innerhalb des bevorzugten Funktionsbereichs U_B1 liegt, der Sensorabstand schnell und zuverlässig eingestellt werden. Im weiteren Betrieb erlaubt die Signalisierung ferner eine Funktionskontrolle.
Bevorzugt wird der Funktionsbereich U_B1 nicht bereits von Null Volt an aufgespannt, sondern beispielsweise erst ab 0,1 Volt. Dies hat den Vorteil, dass das Funktionssignal nicht nur bei einer mechanisch blockierten Rückschlagklappe ausbleibt, sondern auch bei einem Abfall der Sensorspannung auf Null Volt – beispielsweise durch Kabelbruch etc.
Neben den in 5 und 8 gezeigten Strömungssensoren kann anstelle des magnetischen Sensorelements auch ein induktives Sensorelement 26 eingesetzt werden, hierbei kann der Magnet 19 entfallen, wobei das Gehäuse 2 des Strömungssensors 1 dann bevorzugt aus Kunststoff gefertigt sein sollte. Die Messzelle 27 des induktiven Sensorelements 26 ist vorzugsweise mit einer Spule auf einem Stab- oder Pilzkern ausgestaltet. Wie auch beim magnetischen Sensor kann auch hier das Sensorsignal sowohl analog und/oder auch als Schaltsignal nach außen geführt sein.
In einer weiteren Ausfuhrungsform ist es vorgesehen, das Sensorelement 26, ein entsprechendes Steuergerät oder die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Abgleichvorrichtung auszustatten. Zur Kalibrierung des Sensors im Hinblick auf die Ruheposition bzw. Nullpunktlage sowie einer maximalen Auslenkung des Hubkörpers ist ein erstes und zweites Einstellelement vorgesehen, vorzugsweise wird das eine ein Offset und über das andere eine Verstärkung des Sensorelements beeinflusst. Als Einstellelemente kommen insbesondere digitale Potentiometer oder auch Mikroprozessoren in Frage.
Wie bereits dargestellt, wird über den erfindungsgemäßen Funktionsbereich ein Spannungsbereich aufgespannt, in dem bevorzugt ein Arbeitspunkt festgelegt werden kann. Ist der Sensor entsprechend des Funktionsbereichs voreingestellt, kann beispielsweise über externe Signale und/oder interne Algorithmen ein Abgleichvorgang über die Abgleichvorrichtung eingeleitet werden.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird in einem ersten Schritt überprüft, ob das Sensorsignal innerhalb des vorgegebenen Funktionsbereichs liegt. In einem weiteren Kontrollschritt wird überprüft, ob sich der Sensor in einer Ruheposition befindet. Dies kann zum einen bereits durch eine externe Signalisierung bestätigt sein oder zum anderen durch eine interne Abfrage überprüft werden. Bei einer internen Abfrage ist es vorgesehen, das Sensorsignal über einen bestimmten Zeitraum zu beobachten. Bleibt das Sensorsignal innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters konstant, kann davon ausgegangen werden, dass sich der Hubkörper in einer Ruheposition befindet. Nach einer erkannten Ruheposition wird über das erste Einstellelement ein Nullpunktsausgangsignal auf einen vorgegebenen Wert – beispielsweise 0,5 Volt – eingestellt. Mögliche Wertebereiche für den Sensorausgang liegen typischerweise zwischen 0,5 bis 10 V. Es sind jedoch auch andere Bereiche denkbar, insbesondere ist es auch denkbar, einen Strombereich vorzugeben.
Liegt das Sensorsignal der erkannten Ruheposition jedoch außerhalb des vorgegebenen Funktionsbereichs, erfolgt keine Einstellung des Nullpunkts und es wird beispielsweise eine Fehlfunktion nach außen signalisiert.
Nach Vorliegen einer Nullpunktskalibrierung ist es vorgesehen, einen maximalen Hub, der dann einem maximalen Durchfluss des Strömungssensors entspricht, einzustellen. Hierzu kann der Strömungssensor beispielsweise mit einer bestimmten Durchflussmenge beaufschlagt werden oder der Hubkörper des Strömungssensors wird mechanisch in eine Position gebracht, die einer Auslenkung des Hubkörpers bei Vorliegen der bestimmten Durchflussmenge entspricht.
Nimmt der Hubkörper seine zu kalibrierende Durchflussposition ein, kann, vorzugsweise über ein externes Signal, der Kalibriervorgang gestartet werden. Über das zweite Einstellelement wird, vorzugsweise durch Verändern der Verstärkung des Sensors, ein gewünschtes maximales Ausgangssignal, beispielsweise 10 V, eingestellt.
10 zeigt beispielhaft einen Sensor 26 mit einer erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung 265. Der Sensor 26 ist als 3-Leiter mit zwei Versorgungsleitungen (+), (–) und einer Ausgangssignalleitung 271 ausgestaltet. Die Abgleichvorrichtung 265 ist mit der Versorgungsspannung (+) verbunden und versorgt die Messzelle 27 mit einer Betriebsspannung. Ferner ist die Abgleichvorrichtung 265 mit dem ersten und zweiten Einstellelement 261, 262, die wiederum auf die Messzelle 27 einwirken, verbunden. Ein Ausgang 271 der Messzelle 27 ist nach außen geführt. Die Abgleichvorrichtung 265 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass in Abhängigkeit von Signalen, die beispielsweise über die Versorgungsleitung geleitet werden, Funktionen ausgelöst werden können. Über die Abgleichvorrichtung werden insbesondere die Einstellelemente 261, 262 bedient und somit elektrische Eigenschaften des Sensors beeinflusst.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Abgleichvorrichtung 265 auch die Einstellelemente selbst umfassen, insbesondere ist es auch denkbar, dass die Abgleichvorrichtung 265 direkt auf die Messzelle einwirkt. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass ein Signalanpassungselement vorgesehen ist, dass das Sensorsignal in ein bevorzugtes Messsignal umwandelt. Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass die Abgleichvorrichtung 265 über eine weitere Signalleitung bzw. einem anderen Signalweg angesprochen wird.
Die 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schrägsitzventils hier jedoch mit federbelasteter Rückschlagklappe, wobei der Sensor 17 nicht in die durchgehende Öffnung eines Ventildeckels eingeschraubt, sondern innerhalb eines Einschraubteils 23 durch Verklemmen fixiert ist.
Das Einschraubteil 23 ist gegenüber der Ventilklappe 53 im Ventilgehäuse 22 anstelle eines üblichen Ventildeckels befestigt.
Das Einschraubteil 23 weist eine Ausnehmung in der Art einer Sacklochbohrung zur Aufnahme des Sensors 17 auf, wobei die Ausnehmung im oberen, klappenfernen Bereich als Kreiskeilausnehmung 83 und im unteren, klappennahen Bereich als zylindrische Ausnehmung 84 ausgestaltet ist.
Der Sensor 17 weist am anschlusskabelseitigen Ende ein Handhabeteil 80, beispielsweise ausgebildet als Oberflächen-Rändelung auf. Die folgenden Abschnitte sind als Kreiskeil 81 sowie Zylinder 79 ausgeführt. Durch Verdrehen verklemmt sich der Sensor 17 innerhalb einer Klemmzone 86 kraftschlüssig in der Sacklochbohrung des Einschraubteils 23.
Bei der Darstellung gemäß 11 ist der Sensor 17 als Magnetsensor 61 ausgebildet. Alternativ sind auch andere Sensoren einsetzbar, beispielsweise induktive Sensoren.
Die 12a und 12b zeigen jeweils eine Schnittdarstellung des Sensors 17 und des Einschraubteils 23 im Bereich der Klemmzone 86 (siehe 11), wobei der Sensor durch Kreiskeilverbindungstechnik verstell- und fixierbar ist.
Auf der Mantelfläche des Sensors 17 befinden sich beim gezeigten Beispiel drei, in Umfangsrichtung beabstandete Kreiskeile 81. Diese Kreiskeile 81 erstrecken sich über einen ersten Abschnitt der Längsachse des Sensors, wobei in einem zweiten Abschnitt der Sensor zylinderförmig ausgebildet ist. Es ist auch denkbar, die Kreiskeile 81 über die gesamte Mantelfläche des Sensors 17 erstrecken zu lassen.
Am Einschraubteil 23 oder an einem Objekt 82, an dem der Sensor 17 befestigt werden soll, ist mindestens eine zylindrische Öffnung oder Bohrung vorhanden, wobei die entsprechende zylindrische Öffnung oder Bohrung korrespondierende Kreiskeilausnehmungen 83 (siehe 12a und 12b) aufweist.
Beim gezeigten Beispiel sind drei Kreiskeile 81 mit entsprechenden drei Kreiskeilausnehmungen 83 am Objekt 82 vorhanden. Die Kreiskeilsteigung kann hier im Bereich von im Wesentlichen 1:30 bis 1:200 liegen.
Mit dem Einführen des Sensors 17 und den dort vorgesehenen Kreiskeilen in ein Objekt 82, das über eine komplementäre Öffnung mit Kreiskeilausnehmungen verfügt, und anschließendem Verdrehen entsteht eine radiale Vorspannung, wodurch große Axial- und Tangentialkräfte in beliebigen Richtungen übertragen werden können. Die vorgeschlagene Kreiskeilverbindung ist über eine entgegengesetzt gerichtete Drehbewegung wiederum leicht lösbar.
Die 12a zeigt eine Schnittdarstellung im nichtverspannten Zustand. In diesem Zustand kann z. B. mittels des Handhabeteils 80 der Sensor 17 leicht in Längsachsenrichtung verschoben und z. B. die gewünschte Justage zum Finden des Fensterbereichs oder eines Arbeitspunkts erfolgen. Wenn der gewünschte Fensterbereich vorliegt und dies z. B. mit einer optoelektronischen Anzeige signalisiert wird, erfolgt wiederum mittels des Handhabeteils 80 das Verdrehen ohne Änderung der gewählten bzw. erreichten Position in Längsachsenrichtung. Eine Justage bzw. das Ausführen eines Einstellvorgangs ist wesentlich schneller und leichter möglich, als es bei einer z. B. Schraubgewindepaarung der Fall ist, wobei es dort z. B. beim Anziehen einer Kontermutter zum Erhalt der gewählten Position zu einer Dejustage kommen kann.
Die Kreiskeilform, wie in den 12a und b erkennbar, ist beispielsweise durch eine logarithmische Spirale beschreibbar. Es kommen jedoch auch andere klemmend wirkende Keilformen in Frage. Aufgrund der korrespondierenden Keile in der Fügefläche ergibt sich eine homogene Flächenpressung, so dass sich nicht nur eine optimale Übertragungsleistung in Anzugsrichtung, sondern auch eine optimale Selbsthemmung in Löserichtung einstellt.
Es ist jedoch auch eine quasi kinematische Umkehr dahingehend möglich, dass sich das Sensorelement in einem Körper befindet, welcher eine kreisringförmige Hülse besitzt. Es wird in diesem Fall das Objekt, an dem der Sensor befestigt werden soll, einen zylinderförmigen Fortsatz aufweisen, der über seine Zylinderumfangsfläche die Kreiskeile wie erläutert besitzt.
Bei dieser Ausführungsvariante würde der hülsenförmige Sensor über den zylinderförmigen Stab verschiebbar und durch Drehen fixierbar sein.
13 zeit einen perspektivischen Schnitt des Einschraubteils 23 mit Sensor 17 gemäß 11.
Die Kreiskeilausnehmungen 83 erstrecken sich im Wesentlichen im oberen Teil der Ausnehmung für den Sensor 17 im Einschraubteil, welches im Schrägsitz-Gehäuseabschnitt 63 eingebracht ist. Der untere Teil ist, wie bereits erläutert, zylindrisch ausgeführt. Es ist jedoch auch denkbar, die Kreiskeilausnehmung über die gesamte Ausnehmung in Längsrichtung erstreckend auszubilden.
Insbesondere ist es auch möglich, eine Hülse vorzusehen, die auf ihrer inneren Mantelfläche Kreiskeilausnehmungen aufweist. Wird anstelle der oben erläuterten Ausnehmung des Einschraubteils 23 nun ein einfaches Sackloch zur Aufnahme der vorgefertigten Hülse vorgesehen, kann durch Einpressen der Hülse in ein solches Sackloch in einfacher Weise eine Aufnahme für einen Sensor 17 mit Kreiskeilverbindungstechnik bereitgestellt werden.
Erstreckt sich die Kreiskeilausnehmung über die gesamte Längsausdehnung innerhalb des Einschraubteils 23, kann auf einen zylindrischen Abschnitt 79 des Sensors 17 verzichtet werden.
Ist ein zylindrischer Abschnitt 79 am Sensor 17 vorgesehen, kann der Durchmesser dieses Abschnitts maximal entsprechend dem lichten bzw. freien Durchmesser der Kreiskeilausnehmung gewählt werden.
Im dargestellten Beispiel nach 13 ist der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 79 deutlich kleiner als der mögliche freie Durchmesser gewählt. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die zu diesem Abschnitt korrespondierende zylindrische Ausnehmung 84 dem Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 79 anzupassen.
Des weiteren weist der Sensor 17 eine optoelektronische Anzeige 85 auf. Im dargestellten Fall ist diese Anzeige bzw. ein Sichtfenster dieser Anzeige im Bereich der Rändelung 80 angebracht. Es können jedoch auch weitere Anzeigen vorgesehen sein. Insbesondere ist es denkbar, die Anzeigen um 180° oder 90° versetzt anzuordnen, um auch bei einer Drehbewegung des Sensors jederzeit die Anzeige im Blickfeld zu haben. In einer weiteren Ausgestaltung kann auch oder ausschließlich eine Anzeige auf dem Sensorabschluss im Kabelbereich 87 vorgesehen sein, so dass die Anzeige von oben sichtbar ist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, den Kabelbereich 87 transparent abzuschließen oder abzudecken, so dass eine optoelektronische Anzeige durch diesen transparenten Abschluss hindurch sichtbar bleibt. Als optoelektronische Anzeigen kommen insbesondere lichtemittierende Dioden in Betracht.
14 zeigt wiederum ein Schrägsitzventil mit Ventilgehäuse 22 und einen Gehäuseabzweig. Im Gehäuseabzweig ist ein Einschraubteil 23 befestigt, wie bereits zur 11 erläutert.
Im Einschraubteil 23 ist der Sensor 17 aufgenommen, und zwar in einer Ausnehmung, die eine Kreiskeilverbindung mit dem Sensor 17 ermöglicht. Im Unterschied zur Darstellung nach 11 weist das Einsatzteil 23 einen Führungsabschnitt 88 auf, der sich in Richtung Ventilsitz orientiert.
Der Führungsabschnitt 88 nimmt längsverschieblich einen Ventilkörper 89 auf, an dessen zum Ventilsitz orientierten Ende ein Permanentmagnet 90 befindlich ist. Der bevorzugt zylindrisch ausgeführte Ventilkörper 89 ist mit Hilfe einer Schraubenfeder 91 in Richtung Ventilsitz vorgespannt. Eine Lageveränderung des Ventilkörpers 89 führt zu einer Bewegung des Permanentmagneten 90, die sowohl vom Sensor 17 als auch von einem weiteren Sensor 64 detektiert werden kann. Der Ventilkörper 89 ist beim gezeigten Beispiel nach 14 als federkraftbelastete Rückschlag-Ventilanordnung ausgeführt.

110: Einkopplungsmodul
120: Auskopplungsmodul
130: Übertragungsmodul
140: Anzeigemodul
BE: Bewertungseinheit
D: Diode
LED: lichtemittierende Diode
I₁: Strom
I₂: Strom
R_EM: Emitterwiderstand
R_X: Widerstand
R_Y: Widerstand
S: Sensor
T_AM: Transistor am Auskopplungsmodul
T_EM: Transistor am Einkopplungsmodul
T_ÜM: Transistor am Übertragungsmodul
U_E: Eingangsspannung
U_B: Betriebsspannung
Z₁: Zenerdiode
Z₂: Zenerdiode
Z₃: Zenerdiode
I: Spannungsbereich
II: Spannungsbereich
III: Spannungsbereich
1: Strömungssensor
2: Gehäuse
3: Einschraubteil
6: Hubkörper
8: Federelement
9: Dichtbund
10: Ventilsitz
11: Kappe
12: Führungsbohrung
17; 26; 64: Sensor oder Sensorelement
19: Permanentmagnet
22: Ventilgehäuse
23: Einschraubteil
24; 55: Einlasskanal
25; 56: Auslasskanal
27: Messzelle
53: Ventilklappe
261: erstes Einstellelement
262: zweites Einstellelement
265: Abgleichvorrichtung
271: Ausgang, Ausgangssignalleitung
61: Magnetsensor
63: Schrägsitz-Gehäuseabschnitt
79: Zylinder
80: Handhabeteil
81: Kreiskeil
82: Objekt
83: Kreiskeilausnehmung
84: zylindrische Ausnehmung
85: Anzeige
86: Klemmzone
87: Kabelbereich
88: Führungsabschnitt
89: Ventilkörper
90: Permanentmagnet
91: Schraubenfeder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/124291 A1 [0006]

Claims

Anordnung (100) zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Sensorelement-Ausgangssignals (U_B1) innerhalb eines Funktionsbereichs eines Sensors (1) mit mindestens einem Sensorelement (26) welches ein elektrisches Ausgangssignal (U_E) liefert, wobei das Ausgangssignal (U_E) durch mechanische und/oder elektrische Aktionen variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewertungseinheit (150, BE) vorgesehen ist, welche untersucht, ob das elektrische Sensorelement-Ausgangssignal (U_E) in einem vorgegebenen Funktionsbereich (U_B1) liegt, wobei die Bewertungseinheit (150, BE) mit einem Anzeigemodul (140) in Verbindung steht und die Bewertungseinheit (150, BE) bei Vorliegen eines Sensorelement-Ausgangssignals (U_E) innerhalb des Funktionsbereichs einen Wert ausgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit (150, BE) derart ausgestaltet ist, dass die Bewertungseinheit (150, BE) bei Vorliegen eines bevorzugten Ausgangssignals (U_E) innerhalb des Funktionsbereichs (U_B1) einen maximalen Wert ausgibt.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bevorzugte Ausgangssignal (U_E) in der Mitte des Funktionsbereichs (U_B1) liegt.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit (B_E) in einem ersten Stromkreis befindlich ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigemodul (140) in einem zweiten Stromkreis befindlich ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übertragungsmodul (130) zwischen der Bewertungseinheit (BE) und dem Anzeigemodul (140) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromkreis mit einer stabilisierten Spannungsversorgung in Verbindung steht.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkreis mit einer unstabilisierten Spannungsversorgung in Verbindung steht.
Anordnung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmodul (130) den vom Anzeigemodul (140) darzustellenden Bereich bestimmt.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmodul (130) ein von der elektrischen Ausgangsgröße der Bewertungseinheit (BE) angesteuertes, im zweiten Stromkreis liegendes Steuerelement (T_ÜM) aufweist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1; S) als Strömungssensor ausgebildet ist und induktive oder magnetische Einrichtungen mit einem Körper aufweist, dessen relativer Abstand sich strömungsabhängig zum Sensorelement ändert, wobei die Sensorelement-Ausgangsspannung (U_E) in einem vorgegebenen Maß von der Bewegung des Körpers und damit dem Durchfluss oder der Strömung eines fluiden Mediums abhängig ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper als Hubkörper ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit (B_E) feststellt, ob das erhaltene, auf einer Strömungsänderung basierende Ausgangssignal in einem vorgegebenen Funktionsbereich liegt.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit (B_E) ermittelt, ob und inwieweit das insbesondere analoge Ausgangssignal im Wesentlichen linear von der Bewegung des Körpers Veränderungen unterliegt.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigemodul eine optoelektronische und/oder akustische Baugruppe aufweist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen des gewünschten Funktionsbereichs oder eines in diesem Bereich liegenden Arbeitspunktes die optoelektronische und/oder akustische Baugruppe ein maximales oder minimales Signal erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Baugruppe mindestens eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine Reihenschaltung mehrerer lichtemittierenden Dioden aufweist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit (B_E) eine Reihenschaltung aus einem Einkopplungsmodul (110) und einem Auskopplungsmodul (120) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Sensorelement-Ausgangssignal (U_E) am Einkopplungsmodul (110) anliegt.
Anordnung nach Anspruch 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkopplungsmodul (110) einen Transistor (T_EM) eines ersten Leitfähigkeitstyps und das Auskopplungsmodul (120) einen Transistor (T_AM) eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Sensorelement-Ausgangssignal (U_E) der Basis des Transistors (T_EM) des Einkopplungsmoduls (110) zugeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass über der Reihenschaltung die Betriebsspannung (U_B) anliegt.
Anordnung nach Anspruch 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass am Transistor (T_EM) des Einkopplungsmoduls (110) ein Emitterwiderstand (R_EM) angeschlossen ist, wobei in der Kollektorstrecke eine Reihenschaltung aus einer Diode (D) und einem Widerstand (R_AM) befindlich ist, welche auf das Betriebsspannungspotential (U_B) führt, und am Kollektor des Transistors (T_EM) die Basis des Transistors (T_AM) des Auskopplungsmoduls (120) angeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände (R_EM) und (R_AM) bestimmt, bei welcher Eingangsspannung (U_E) ein maximaler Strom durch das Auskopplungsmodul (120) zur Verfügung steht.
Anordnung nach Anspruch 6 und 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des Transistors (T_AM) mit der Basis eines Transistors (T_ÜM) des Übertragungsmoduls (130) in Verbindung steht, wobei die Basis des Transistors (T_ÜM) über einen ersten Widerstand (R_X) und der Emitter des Transistors (T_ÜM) über einen zweiten Widerstand (R_Y) am negativen Betriebsspannungspotential angeschlossen sind.
Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Widerstände (R_X) zu (R_Y) den vom Anzeigemodul getriebenen Strom bestimmt.
Anordnung nach Anspruch 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass am Kollektor des Transistors (T_ÜM) mindestens eine lichtemittierende Diode (LED) angeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 20 und 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T_EM) und (T_ÜM) Elemente eines Doppeltransistors desselben Leitfähigkeitstyps sind.
Verfahren zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Funktionsbereichs (U_B1) von Sensoren (1) mit mindestens einer induktiven oder magnetischen Einrichtung und einem Körper (6), dessen relativer Abstand sich strömungsabhängig zu einem Sensorelement (26) ändert, wobei das Sensorelement (26) ein analoges elektrisches Ausgangssignal (U_E) liefert, welches in einem vorgegebenen Maß von der Bewegung des Körpers (6) und damit dem Durchfluss oder der Strömung eines fluiden Mediums abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch mechanische und/oder elektrische Aktionen das Ausgangssignal (U_E) für eine bevorzugte Position des Körpes (6) so eingestellt wird, dass es innerhalb eines vorbestimmten Funktionsbereichs (U_B1) liegt, wobei das Erreichen des Funktionsbereichs ermittelt und angezeigt oder dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (6) als Hubkörper ausgebildet ist, wobei die Hubbewegung von der Strömung oder Strömungsänderung des fluiden Mediums abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige über eine optoelektronische und/oder akustische Baugruppe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige über die optoelektronische Baugruppe sowie deren Farbe, Farbänderung, Farbübergang und/oder Helligkeitseinstellung oder Helligkeitsänderung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterreichen des gewünschten Funktionsbereichs des jeweiligen Sensors der Verstellweg des insbesondere Hubkörpers, der Abstand des Hubkörpers zum Sensorelement und/oder die mechanische Vorspannung des Hubkörpers eingestellt oder justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Erreichen eines bevorzugten Ausgangssignals innerhalb des Funktionsbereichs durch eine maximale Helligkeit der optoelektronischen Baugruppe signalisierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass im laufenden Betrieb des oder der Sensoren die Anzeige mittels des optoelektronischen Bauelements ständig oder zyklisch in Funktion befindlich ist, um den Arbeitszustand überwachen sowie bei Notwendigkeit korrigieren zu können.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige als Fernanzeige ausgebildet ist, um außerhalb der Anordnung des oder der Sensoren eine Betriebszustandskontrolle durchführen zu können.
Verfahren nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch dessen Anwendung beim Betreiben einer Anlage, welche strömende Medien sowie mindestens ein Strömungsmessgerät aufweist.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Einstellung und/oder Kontrolle des Sensorelement-Ausgangssignals, insbesondere von Strömungssensoren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des oder der Sensorelemente eine schwellwertabhängig arbeitende Schaltung vorgesehen ist, welche einen maximalen Strom zur Ansteuerung der Anzeige dann bereitstellt, wenn die bewegungs- oder hubbedingte Schaltflanke der Ausgangsspannung des Sensorelements einen Mindestwert erreicht.
Anordnung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestspannungswert der Schaltflanke bei der halben Betriebsspannung der Schaltung liegt.
Anordnung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des oder der Sensorelemente auf eine Gruppe von Differenzverstärkern geführt ist, die jeweils mit einer Treiberschaltung für eine optoelektronische Anzeige, insbesondere für lichtemittierende Dioden, verbunden sind, wobei die Differenzverstärker jeweils beim Erreichen eines definierten Spannungswerts aus dem bewegungs- oder hubabhängigen Spannungsbereich die zugehörige Treiberschaltung aktivieren, so dass zugehörige Strömungswerte farbig, vielfarbig oder mit Farbübergängen im Sinne einer Ampelfunktion darstellbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer Anlage, welche strömende Medien sowie mindestens ein Strömungsmessgerät und eine Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 28 aufweist.
Strömungssensor mit einer Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 28.
Sensor mit einem Sensorelement, welches einen zylindrischen Körper (300) oder Körperabschnitt mit Mitteln zum Justieren oder verstellbarem Befestigen an einem Objekt (303) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zylindermantelfläche Kreiskeile (302) in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei am Objekt (303) eine zylindrische Öffnung oder Bohrung mit korrespondierenden Kreiskeilausnehmungen (304) vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung zwei bis vier Kreiskeile (302) mit einer Keilsteigung im Bereich von im Wesentlichen 1:30 bis 1:200 vorgesehen sind.
Verwendung eines Sensors nach Anspruch 43 oder 44 bei einem Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 36.