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Die Erfindung betrifft einen Ventilbetätigungsaufsatz eines Heizkörperventils oder eines Ventils einer Kühleinrichtung mit einem Gehäuse, einer Betätigungseinrichtung, die gegenüber dem Gehäuse verlagerbar ist, einer Feder, die in einer Kraftrichtung auf die Betätigungseinrichtung wirkt, einer Antriebseinrichtung, die gegen die Kraftrichtung der Feder auf die Betätigungseinrichtung wirkt, und einer Blockiereinrichtung, die die Betätigungseinrichtung in einer vorbestimmten Position im Gehäuse, in der die Feder gespannt ist, gegen eine Bewegung in Kraftrichtung blockiert.
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Ein derartiger Ventilbetätigungsaufsatz ist dafür vorgesehen, auf einem Heizkörperventil oder dem Ventil einer Kühleinrichtung montiert zu werden. Man kann ihn auch in Verbindung mit einer Fußbodenheizung oder anderen Anwendungen im Heiz- oder Kühlbereich einsetzen. Die Blockiereinrichtung erleichtert dabei die Montage, weil sie die Betätigungseinrichtung in einer Position festhält, in der sie noch nicht auf das Ventil wirkt. Dementsprechend muss man bei der Montage nicht die Kraft der Feder überwinden. Wenn der Ventilbetätigungsaufsatz am Ventil montiert ist, dann kann die Blockiereinrichtung gelöst werden, und der Ventilbetätigungsaufsatz kann bestimmungsgemäß arbeiten.
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Ein Ventilbetätigungsaufsatz der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus
DE 197 48 973 B4 bekannt. Die Feder wird im zusammengedrückten Zustand durch ein federndes Halteelement gehalten, das im zusammengedrückten Zustand der Feder unter die Betätigungseinrichtung geschoben wird. Hierzu ist ein Stift notwendig, der durch eine kleine Öffnung im Gehäuse geführt wird. Die Vorbereitung dieses Ventilbetätigungsaufsatzes für die Montage ist relativ umständlich. Man ist auch nicht sicher, dass nach erfolgter Montage eine Entspannung der Rückstellfeder erfolgen kann.
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DE 199 10 751 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Einstellung der Position des Stößels eines Ventils, das durch einen Ventilbetätigungsaufsatz angesteuert wird. Der Ventilbetätigungsaufsatz weist einen Arbeitskolben eines Dehnkörpers auf, dessen maximaler Hub vorgegeben wird. Hierzu wird der Dehnkörper erwärmt und dehnt sich aus, so dass der Arbeitskolben aus ihm herausgedrückt wird, der Stößel des Ventils entlastet wird und sich dann in der Offenstellung des Ventils mit maximaler Durchflussmenge des strömenden Mediums befindet. Die zu diesem Zeitpunkt von einer Messeinrichtung gelieferte Spannung ist die maximal mögliche Spannung für den vorgegebenen Hub des Arbeitskolbens. Dieser Spannungswert wird gespeichert. Der Dehnkörper kühlt ab und das Ventil wird geschlossen, indem der Stößel des Ventils betätigt wird. Die Messeinrichtung misst eine weitere Spannung, die dem Schließzustand entspricht. Zwischen den beiden ermittelten Spannungen wird nun eine lineare Funktion verwendet, anhand derer man die Stellung des Ventilstößels und damit den Öffnungsgrad des Ventils einstellen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktion des Ventilbetätigungsaufsatzes sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Ventilbetätigungsaufsatz der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Aktivierungssensor vorgesehen ist, der feststellt, ob die Betätigungseinrichtung von der Blockiereinrichtung festgehalten wird, und der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist.
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Wenn der Ventilbetätigungsaufsatz am Thermostatventil montiert ist, dann bleibt die Betätigungseinrichtung zunächst in der Position im Gehäuse, die durch die Blockiereinrichtung vorgegeben wird. Erst dann, wenn die Antriebseinrichtung wirksam geworden ist und die Betätigungseinrichtung zumindest um eine kleine Strecke so verschoben hat, dass sie von der Blockiereinrichtung freikommt oder die Blockiereinrichtung auf andere Weise inaktiviert worden ist, kann die Betätigungseinrichtung auf einen Betätigungsstift des Thermostatventils wirken. Wenn man daher mit Hilfe des Aktivierungssensors feststellen kann, ob die Betätigungseinrichtung die Position, in der sie durch die Blockiereinrichtung festgelegt worden ist, verlassen hat, dann hat man eine zuverlässige Aussage darüber, das der Ventilbetätigungsaufsatz ab diesem Zeitpunkt bestimmungsgemäß arbeiten kann. Wenn nämlich die Betätigungseinrichtung von der Blockiereinrichtung freigekommen ist oder die Blockiereinrichtung auf andere Weise außer Wirkung gesetzt worden ist, dann ist die Betätigungseinrichtung frei, um das Thermostatventil in gewünschter Weise zu betätigen. Wenn der Aktivierungssensor hingegen feststellt, dass die Betätigungseinrichtung durch die Blockiereinrichtung in der Position festgehalten wird, dann kann die Steuereinrichtung, mit der der Aktivierungssensor verbunden ist, ein Fehlersignal ausgeben, so dass beispielsweise der Ventilbetätigungsaufsatz überprüft oder vom Thermostatventil demontiert werden kann.
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Vorzugsweise ist der Aktivierungssensor im Inneren des Gehäuses angeordnet. Er ist also von außen nicht sichtbar. Dies erlaubt zum einen, dass man das Äußere des Gehäuses optisch gefällig ausgestaltet, weil man bei der äußeren Gestaltung des Gehäuses den Aktivierungssensor nicht berücksichtigen muss. Zum anderen ist der Aktivierungssensor im Inneren des Gehäuses geschützt, so dass er nicht versehentlich durch äußere Einflüsse falsch betätigt werden kann.
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Vorzugsweise ist der Aktivierungssensor als optischer Sensor ausgebildet. Ein optischer Sensor kann berührungslos arbeiten. Er kann auch weitgehend verschleißfrei arbeiten, so dass eine Funktion auch durch eine Vielzahl von Bewegungsspielen der Betätigungseinrichtung nicht gestört wird.
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Hierbei ist bevorzugt, dass der Aktivierungssensor eine Reflexionsfläche aufweist. Die Reflexionsfläche ist beispielsweise an der Betätigungseinrichtung angeordnet. Der Abstand der Reflexionsfläche von einer Sender-Empfänger-Einheit des Aktivierungssensors bildet damit ein Maß für die aktuelle Position der Betätigungseinrichtung. Dieses Maß kann man dann als Kriterium dafür verwenden, ob die Betätigungseinrichtung durch die Blockiereinrichtung in der Position festgehalten wird oder nicht. Bei einer vorgegebenen Blockiereinrichtung ist das Maß der Bewegung der Betätigungseinrichtung, das notwendig ist, um von der Blockiereinrichtung freizukommen oder die Blockiereinrichtung außer Kraft zu setzten, bekannt.
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Vorzugsweise ist die Reflexionsfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung angeordnet. Dies ist eine besonders einfache Maßnahme, um die Positionsbestimmung mit der erforderlichen Zuverlässigkeit durchführen zu können.
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Bevorzugterweise weist die Blockiereinrichtung ein Verriegelungselement auf, das aus einer Blockierposition in eine Freigabeposition verdrehbar ist. Man muss das Verriegelungselement lediglich verdrehen, beispielsweise um eine Achse, die parallel zur Kraftrichtung der Feder gerichtet ist, um die Blockierung der Betätigungseinrichtung zu lösen und die Feder zu entspannen. Ein zusätzliches Element, das extern gehandhabt werden muss, ist nicht erforderlich. Bei dieser Ausgestaltung ist die Anordnung der Reflexionsfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung besonders vorteilhaft, weil sich durch das Verdrehen des Verriegelungselements die Entfernung der Reflexionsfläche zur Sender-Empfänger-Einheit praktisch nicht verändert.
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Vorzugsweise ist der Aktivierungssensor als Wegsensor ausgebildet. Mit Hilfe des Aktivierungssensors kann man also nicht nur eine einzige Position überprüfen, sondern man kann den Aktivierungssensor auch dazu verwenden, die aktuelle Position der Betätigungseinrichtung zu ermitteln.
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Vorzugsweise ist die Antriebseinrichtung durch die Steuereinrichtung angesteuert. Wenn beispielsweise die Antriebseinrichtung durch ein Wärmedehnungselement gebildet wird, beispielsweise eine Wachspatrone, dann kann die Steuereinrichtung dafür sorgen, dass die Antriebseinrichtung beheizt wird und sich entsprechend ausdehnt. Die Steuereinrichtung kann dann (unabhängig von der eigentlichen Funktion des Thermostatventils) verschiedene Zustände einstellen, um eine Überprüfung des Ventilbetätigungsaufsatzes vorzunehmen oder bestimmte Anfangswerte einzustellen.
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Hierbei ist bevorzugt, dass die Steuereinrichtung die Antriebseinrichtung ansteuert, um die Blockiereinrichtung zu lösen, und danach ein Signal des Aktivierungssensors auswertet. Wenn der Ventilbetätigungsaufsatz am Thermostatventil montiert wird, ist die Betätigungseinrichtung durch die Blockiereinrichtung festgelegt, und zwar so, dass sie nicht auf das Thermostatventil oder einen damit verbundenen Ventilstößel wirkt. Es ist bekannt, um welches Maß sich die Betätigungseinrichtung unter der Wirkung der Antriebseinrichtung bewegen muss, um von der Blockiereinrichtung freizukommen oder diese außer Kraft zu setzen. Die Steuereinrichtung kann also die Antriebseinrichtung mindestens um dieses Maß antreiben. Beispielsweise kann eine Heizwicklung unter Strom gesetzt werden, so dass sich die als Wachspatrone ausgebildete Antriebseinrichtung im entsprechenden Maße ausdehnen kann. Man weiß, wie weit sich die Betätigungseinrichtung ungefähr bewegen muss, um aus der Position (in vielen Fällen auch ”First-Move-Position” genannt) herauszukommen. Diese Position kann gemessen und mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden. Wenn die Steuereinrichtung nicht mehr auf die Antriebseinrichtung einwirkt, beispielsweise die Wachspatrone abkühlen lässt, dann kann die Betätigungseinrichtung auf das Thermostatventil wirken. Nach einer gewissen Zeit wird sich die Betätigungseinrichtung dann in einem Zustand befinden, der dem geschlossenen Thermostatventil entspricht. Die Steuereinrichtung kann dann mit Hilfe des Aktivierungssensors auch diese Position ermitteln. Der dadurch gewonnene Messwert ist frei von Toleranzen, die sich ansonsten herstellungsbedingt ergeben können, weil die Betätigungseinrichtung dann tatsächlich auf ein geschlossenes Ventil wirkt (gleiches gilt natürlich bei einem anderen Aufbau des Thermostatventils für ein vollständig offenes Ventil). Die Position, in der sich die Betätigungseinrichtung bei geschlossenem Ventil befindet, kann durch den Aktivierungssensor ebenfalls ermittelt werden.
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Vorzugsweise fährt die Steuereinrichtung nach dem Lösen der Blockierung die Antriebseinrichtung auf ihren maximalen Hub aus und fährt sie dann zurück, wobei sie mit Hilfe des Aktivierungssensors eine Geschwindigkeitsänderung ermittelt. Beispielsweise kann man in einem Speicher der Steuereinrichtung ein Maß für die maximale Ausdehnung der Antriebseinrichtung hinterlegen. Die Antriebseinrichtung wird dann beispielsweise wieder unter Strom gesetzt und die Wachspatrone dehnt sich auf ihre gewünschte maximale Länge aus. Danach kann der Strom wieder abgeschaltet werden. Wenn sich die Wachspatrone wieder zusammenzieht, dann wird sich eine Geschwindigkeitsänderung dann ergeben, wenn die Betätigungseinrichtung auf den Ventilstößel des Thermostatventils trifft. Zu diesem Zeitpunkt ist das Thermostatventil maximal geöffnet bzw. bei einem anders ausgebildeten Ventil vollständig geschlossen, so dass die Position der Betätigungseinrichtung in diesem Fall als Maß für das geöffnete Ventil gespeichert werden kann. Zusammen mit dem Maß, das sich aus der Position der Betätigungseinrichtung bei geschlossenem Ventil ergibt, steht dann die Bewegungslänge der Betätigungseinrichtung zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Ventil zur Verfügung. Damit lässt sich das Thermostatventil auf einfache Weise kalibrieren. Diese Kalibrierung kann dann in regelmäßigen Abständen oder in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen wiederholt werden, so dass die während des Betriebs vorkommenden Änderungen berücksichtigt werden können. Darüber hinaus hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass bei einer derartigen wiederholten Kalibrierung das Thermostatventil wiederholt betätigt wird, so dass sich der Ventilstift des Thermostatventils nicht festsetzen oder festklemmen kann. Je nach Ausführungsform oder Anwendung kann man die Betätigung nur dann durchführen, wenn das Ventil nicht geschlossen ist. Die Betätigung erfolgt in diesem Fall also nur, wenn das Ventil in einer anderen Position ist. Dies kann man beispielsweise dadurch überwachen, dass die Betätigung nur dann erfolgt, wenn eine Steuerspannung einen vorbestimmten Wert inmitten eines Spannungsbereichs hat.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines Ventilbetätigungsaufsatzes,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs II aus 1 und
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3 eine Schnittansicht des Ventilbetätigungsaufsatzes in einer anderen Schnittebene.
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1 zeigt einen Ventilbetätigungsaufsatz 1 mit einem Gehäuse, das einen Gehäusesockel 2 und eine Kapsel 3 aufweist, wobei die Kapsel 3 mit einem Vorsprung 4 den Gehäusesockel 2 untergreift.
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In der Kapsel 3 ist eine Betätigungseinrichtung 5 angeordnet, die einen Kolben 6, der aus der Kapsel 3 vorsteht, eine Druckplatte 7 und ein Verriegelungselement 8 aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindung sowohl Zugkräfte als auch Druckkräfte übertragen kann.
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Eine Feder 9 wirkt in einer Kraftrichtung auf die Betätigungseinrichtung 5. Hierzu liegt die Feder 9 an der Druckplatte 7 einerseits und an der Innenseite der Kapsel 3 andererseits an. Die Feder 9 übt dabei eine Kraft auf die Druckplatte 7 aus, die so gerichtet ist, dass die Betätigungseinrichtung 5 in Richtung auf eine Ventilbefestigungsgeometrie 10 gedrückt wird, die an dem der Betätigungseinrichtung 5 abgewandeten Ende des Gehäusesockels 2 angeordnet ist.
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Innerhalb der Betätigungseinrichtung 5 ist eine Antriebseinrichtung 11 angeordnet, beispielsweise eine Wachspatrone, die sich am Gehäusesockel 2 abstützt und einen Betätigungskolben 12 aufweist, der bei einer Temperaturerhöhung der Antriebseinrichtung 11 in eine Richtung weg von der Ventilbefestigungsgeometrie 10 herausgedrückt wird und dann von innen auf den Kolben 6 wirkt. Dabei wird der Kolben 6, der mit der Druckplatte 7 auch in Zugrichtung verbunden ist, entgegen der Kraft der Feder 9 aus der Kapsel 3 herausgedrückt.
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1 zeigt beispielhaft einen Zustand des Ventilbetätigungsaufsatzes 1 vor der Montage an einem nicht näher dargestellten Ventil. Die Feder 9 ist komprimiert. Die Betätigungseinrichtung 5 ist hier in einer Blockierposition festgehalten, in der das Verriegelungselement 8 innerhalb der Ventilbefestigungsgeometrie genügend Raum frei lässt, um Bestandteile eines Ventils aufnehmen zu können. Beim Aufsetzen des Ventilbetätigungsaufsatzes 1 auf das Ventil muss man also nicht die Feder 9 komprimieren. Diese ist vielmehr schon komprimiert. In der Blockierposition wird das Verriegelungselement 8 gehalten durch einen Vorsprung 13, der in eine Nutanordnung eingreift. Die Nutanordnung (siehe 2) ist im Gehäusesockel 2 angeordnet und weist einen ersten Abschnitt 14 auf, der parallel zur Kraftrichtung gerichtet ist, und einen zweiten Abschnitt 15, der, ausgehend von dem ersten Abschnitt 14, in Kraftrichtung geneigt ist.
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Wenn also der Vorsprung 13 in den zweiten Abschnitt 15 eingeführt worden ist, dann wird der Vorsprung 13 durch die Kraft der Feder 9 an das Ende des zweiten Abschnitts 15 gedrückt und kann sich dann nicht weiter bewegen, so dass das Verriegelungselement 8 in dieser Position festgehalten wird. Dies ist die Blockierposition.
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Wenn das Verriegelungselement 8 etwas verdreht wird, dann kommt der Vorsprung 13 in den ersten Abschnitt 14 der Nutanordnung, so dass er weiter nach unten bewegt werden kann. In diesem Fall kann sich die Feder 9 weiter entspannen und das Verriegelungselement 8 kann auf ein Ventilelement eines Ventils wirken, an dem der Ventilbetätigungsaufsatz befestigt ist. Natürlich lässt sich eine derartige ”First-Move”-Funktion auch auf viele andere Arten realisieren.
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Das Verriegelungselement 8 weist an seinem der Antriebseinrichtung 11 benachbarten Ende ein Federelement 16 auf, das an seinem Ende einen Widerhaken 17 aufweist, der hinter einer Stufe 18 an der Druckplatte 7 einhakt. Wenn die Druckplatte 7 nach oben bewegt wird, beispielsweise unter der Wirkung der Antriebseinrichtung 11, dann wird das Verriegelungselement 8 ebenfalls mit nach oben bewegt.
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3 Zeigt den Ventilbetätigungsaufsatz 1 in einer anderen Schnittansicht. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen.
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Um zu überwachen, ob die Betätigungseinrichtung 5 noch durch das Verriegelungselement 8 festgehalten wird oder nicht, ist ein Aktivierungssensor 24 vorgesehen. Der Aktivierungssensor 24 ist als optischer Sensor ausgebildet. Er weist einen Sender 25 und einen Empfängerfeld 26 auf. Der Sender 25 richtet einen Lichtstahl gegen eine Reflexionsfläche 27, die an der Unterseite der Druckplatte 7 vorgesehen ist. In Abhängigkeit von der Entfernung der Reflexionsfläche 27 vom Empfängerfeld 26 wird der Lichtstrahl auf unterschiedliche Positionen im Empfängerfeld 26 reflektiert. Die entsprechende Position ist dann ein Maß für die Entfernung zwischen dem Aktivierungssensor 24 und der Druckplatte 7. Da der Aktivierungssensor 24 in der Kapsel 3 aufgenommen ist, besteht praktisch keine Gefahr, dass Fremdlicht seine Funktion stört. Die Reflexionsfläche 27 ist im Wesentlichen senkrecht zur Kraftrichtung der Feder 9 ausgerichtet.
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Die Antriebseinrichtung ist mit einer Heizeinrichtung 28, beispielsweise einem PTC-Element, verbunden. Die Heizeinrichtung 28 wiederum ist mit einer Steuereinrichtung 29 verbunden, die wiederum mit dem Aktivierungssensor 24 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 29 kann die Heizeinrichtung 28 in Betrieb setzen oder außer Betrieb nehmen. Wenn die Steuereinrichtung 29 die Heizeinrichtung 28 betätigt, beispielsweise einen Strom durch die Heizeinrichtung 28 leitet, dann wird die Antriebseinrichtung 11 erwärmt und der Betätigungskolben 12 wird nach außen verdrängt. Da die Antriebseinrichtung 11 am Gehäusesockel 2 abgestützt ist, führt dies dazu, dass der Kolben 6 gegen die Kraft der Feder 9 aus der Kapsel 3 herausgefahren wird.
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Wenn der Ventilbetätigungsaufsatz 1 am Ventil montiert wird, ist die Betätigungseinrichtung 5 durch das Verriegelungselement 8 in einer Position festgehalten, in der die Feder 9 komprimiert ist. Diese Position wird auch als ”First Move” bezeichnet. In der Steuereinrichtung 29 ist ein Maß gespeichert, wie weit sich der Kolben 6 bewegen muss, um aus dieser First-Move-Position herauszukommen. Nach der erfolgten Montage wird also die Steuereinrichtung 29 die Heizeinrichtung 28 so betreiben, dass die Betätigungseinrichtung 5 mit der notwendigen Zuverlässigkeit aus der First-Move-Position herauskommt. Dies lässt sich mit Hilfe des Aktivierungssensors 24 zuverlässig überwachen.
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Man kann mit Hilfe des Aktivierungssensors 24 auch die Position ermitteln, in der sich die Betätigungseinrichtung 5 in der ”First-Move”-Stellung, also in der festgehaltenen Position befindet. Dieser Wert wird dann beispielsweise als Entfernung von einer Basis gespeichert. Die nächste Position, die dann ermittelt wird, muss in einer größeren Entfernung liegen, um anzuzeigen, dass die Betätigungseinrichtung aus der ”First-Move”-Position herausgekommen ist. Dieser Wert ist bekannt und kann mit Hilfe des Aktivierungssensors 24 überprüft werden.
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Die Steuereinrichtung 29 schaltet die Heizeinrichtung 28 dann wieder ab, so dass der Betätigungskolben 12 wieder in die Antriebseinrichtung 11 eingefahren wird und der Kolben 6 unter der Kraft der Feder 9 weitestmöglich eingefahren wird. Hierbei wirkt der Kolben 6 mit einer nicht näher dargestellten Betätigungsfläche auf ein Ventil. Wenn dieses Ventil seine Endlage erreicht hat, ist auch die Bewegung des Kolbens 6 beendet. Da der Kolben 6 mit der Druckplatte 7 verbunden ist und die Reflexionsfläche 27 an der den Aktivierungssensor 24 zugewandten Ende der Druckplatte 7 angeordnet ist, kann der Aktivierungssensor dann feststellen, bei welcher Position des Kolbens 6 das betätigte Ventil beispielsweise geschlossen ist. Dieses Maß erhält die Steuereinrichtung 29 ohne jegliche Toleranz, weil sich dieses Maß erst im Betrieb ergibt. Der entsprechende Wert für die Position oder das Maß kann in der Steuereinrichtung 29 gespeichert werden.
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In der Steuereinrichtung 29 gibt es gleichzeitig ein Maß für die maximale Bewegung des Betätigungungskolbens 12. Die Heizeinrichtung 28 wird wieder unter Strom gesetzt und der Betätigungskolben 12 bewegt sich die gewünschte maximale Länge, wonach der Strom wieder abgeschaltet wird. Danach wandert der Betätigungskolben 12 wieder in die Antriebseinrichtung 11 hinein. In der Regel ist der maximale Hub des Betätigungskolbens 12 größer als der entsprechende Hub des Ventils. Der Kolben 6 ist also vom Ventil oder einem entsprechenden Betätigungsorgan des Ventils freigekommen. Wenn der Betätigungskolben 12 wieder in die Antriebseinrichtung 11 eingezogen wird, was unter der Kraft der Feder 9 erfolgt, dann wird sich eine Geschwindigkeitsänderung dann ergeben, wenn der Kolben 6 durch das Ventil ”gebremst” wird. Bei einer Geschwindigkeitsänderung weiß man also, dass der Ventilstift (oder ein anderes Betätigungselement des Ventils) getroffen worden ist. Diese Messung wird als Maß für ein offenes Ventil gespeichert. Dadurch ist der Bereich des Ventils kalibriert worden und kann zum Beispiel mit einem 0–10 Volt-Signal zusammengekoppelt werden.
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Die Kalibrierung kann dann in regelmäßigen Abständen wiederholt werden, so dass die während des Betriebs vorkommenden Änderungen berücksichtigt werden können. Gleichzeitig wird eine Kalibrierung den Ventilstift des Ventils bewegen, so dass sich dieser nicht festsetzen oder verklemmen kann.
