DE102012000651B4

DE102012000651B4 - Stellantrieb zur Einstellung der Position des Stößels eines Ventils

Info

Publication number: DE102012000651B4
Application number: DE102012000651.9A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Henke; Ulf Ehrlich; Christoph Rohwetter
Original assignee: IMI Hydronic Engineering International SA
Current assignee: IMI Hydronic Engineering International SA
Priority date: 2012-01-14
Filing date: 2012-01-14
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2032-01-15
Also published as: DE102012000651A1

Abstract

Stellantrieb zur Einstellung der Position eines Stößels eines Ventils, auf den eine Ventilfeder einwirkt und der zwischen zwei Endstellungen in axialer Richtung verstellbar ist, wobei zur Verstellung des Stößels ein mit einem in seiner Achsrichtung bewegbaren Arbeitskolben (23) ausgerüsteter temperaturabhängiger Weggeber (14) am Ventil befestigt ist, der durch einen an eine Spannungsquelle anschließbaren elektrischen Widerstand beheizbar ist und dem ein an der Stirnseite des Stößels anliegendes Druckstück (4) zugeordnet ist, auf welches eine Druckfeder (7) einwirkt, welche das Ventil bei nicht beheiztem Widerstand entgegen der Wirkung der Ventilfeder geschlossen hält und welche bei beheiztem, sich ausdehnendem Weggeber (14) durch das dabei von demselben bewegte Druckstück (4) zusammen gedrückt wird, so dass das Ventil durch die Ventilfeder geöffnet wird, wobei zwischen dem Widerstand und der Spannungsquelle ein durch einen Mikroprozessor (20) zu betätigender elektrischer Schalter angeordnet ist, wobei an dem Mikroprozessor (20) eine mit dem Druckstück (4) gekoppelte Messeinrichtung angeschlossen ist, die von der Position des Druckstückes (4) abhängige elektrische Spannungswerte an den Mikroprozessor (20) liefert, aus denen vom Mikroprozessor (20) eine zwischen einer der Schließstellung des Ventils entsprechenden minimalen Spannung und einer einem maximalen Hub des Stößels, bei welchem das Ventil voll geöffnet ist, entsprechenden maximalen Spannung liegende Regelstrecke gebildet und gespeichert wird und wobei beim Anschließen einer Steuerspannungsquelle an den Mikroprozessor (20), deren zwischen 0 und 100% einstellbarer Steuerspannung durch den Mikroprozessor (20) den Spannungswerten der in demselben gespeicherten Regelstrecke proportional zugeordnet werden, der Stößel des Ventils in eine Position gebracht wird, deren Entfernung von seiner der Schließstellung des Ventils entsprechenden Position in Prozent vom maximalen Hub desselben dem eingestellten prozentuellen Spannungswert der Steuerspannungsquelle entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (4) längsverschieblich und reibungsbehaftet in einem Unterteil (1) geführt ist, dass der maximale Hub (H) des Stößels, bei welchem das Ventil voll geöffnet ist, durch die Messeinrichtung erfasst und im Mikroprozessor (20) gespeichert wird und dass das kolbenförmige Druckstück (4) einen O-Ring (6) aufweist, der in einer zylinderförmigen Ausnehmung (21) des Unterteils (1) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb zur Einstellung der Position des Stößels eines Ventiles nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Stellantrieb ist aus der DE19910751A1 bekannt. Bei diesem bekannten Stellantrieb wird bereits die Schließstellung des Ventiles, mittels einer Messeinrichtung ermittelt, um Auflösungsverluste bei der Beaufschlagung des temperaturabhängigen Weggebers, mit der Steuerspannung über den Mikroprozessor zu vermeiden. Die voll geöffnete Stellung des Ventiles, bzw. der maximale Hub des Stößels des Ventils, wird jedoch nicht ermittelt, sondern auf der Grundlage von Datenblättern des Ventiles zu Grunde gelegt, um den tatsächlichen Ventilhub, bzw. den Hub des Ventilstößels, dem bekannten Eichverfahren, zu Grunde zu legen.
Es wird also nicht der tatsächliche maximale Hub des Stößels gemessen, sondern vorgegeben, so dass fertigungs- und montagebedingte Abweichungen des maximalen Hubs des Stößels nicht messtechnisch erfasst werden können. Diese bekannte Lösung hat den Nachteil, dass bei der Eichung des maximalen Stößelhubes auf die Bandbreite der Steuerspannung letztlich Toleranzwerte des maximalen Hubes des Stößels berücksichtigt werden müssen, was zu einem Verlust an Auflösung bei der Verschiebung des Ventilstößels durch den temperaturabhängigen Weggeber führt.
Aus der DE 10 2009 011 406 A1 ist bekannt, den maximalen Hub eines Ventilstößels durch eine Messeinrichtung zu erfassen und in einer Steuereinrichtung zu speichern.
Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Stellantrieb zur Einstellung der Position eines Stößels eines Ventils zu schaffen, bei dem die Eichung der Steuerspannung auf den maximalen Hub des Stößels vollständig erfolgt und damit die Stellungsauflösung des Ventilstößels optimiert wird.
Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
Durch die reibungsbehaftete Führung des Druckstückes im Unterteil, verbleibt das Druckstück bei voll geöffneter Stellung des Ventils und damit bei maximalem Hub des Ventilstößels, in der durch den Stößel des Ventils vorgegebenen Stellung. Der temperaturabhängige Weggeber hat dem gegenüber einen deutlich größeren Hub, so dass er von dem Druckstück abheben kann und sich in dem Stellantrieb weiter bewegt, ohne hierbei das Druckstück mitzunehmen.
Dadurch kann, bei an das Druckstück gekoppelter Messeinrichtung, die voll geöffnete Position des Ventilstößels, bei welcher das Ventil voll geöffnet ist, durch die Messeinrichtung erfasst werden. Der entsprechende Wert wird im Mikroprozessor gespeichert und der bekannten Lösung, gemäß DE19910751A1 , zur Eichung des Ventilhubes, auf die Steuerspannung zugrunde gelegt.
Mit diesen Maßnahmen wird ein Stellantrieb geschaffen, bei dem im Rahmen der vorgegebenen Auflösung der Steuerspannung, jedem Steuerspannungswert ein klar definierter Hub des Stößels des Ventils zugeordnet wird, wodurch die volle Steuerspannungsbandbreite der vollen Ventilöffnungsbandbreite zugeordnet wird. Hierbei ergeben sich keine wesentlichen Verluste. Es müssen keine Toleranzen des durch den Stellantrieb gesteuerten Ventiles aufgrund von Fertigungs- oder Montageungenauigkeiten berücksichtigt werden. Es wird der volle Hub des Ventilstößels durch die Messeinrichtung messtechnisch erfasst.
Dabei ist die änderungsgemäße Lösung, gemäß dieser Erfindung, gegenüber der bekannten Lösung kaum aufwendiger, weil keine zusätzlichen Teile im Stellantrieb verwendet werden und weil auch keinerlei aufwendigere Messtechnik oder Elektronik erforderlich ist. Insoweit lässt sich die erfindungsgemäße Lösung weitgehend kostenneutral realisieren und ermöglicht so, sehr günstig, einen deutlichen Gewinn an Auflösungsgenauigkeit, bei der Einstellung des Stößels des durch den Stellantrieb gesteuerten Ventiles.
Das kolbenförmig ausgebildete Druckstück weist einen O-Ring auf, der in einer zylinderförmigen Ausnehmung des Unterteils angeordnet ist. Dieser O-Ring erzeugt die erforderliche Reibung, um die Erfindung gemäß dem Hauptanspruch darzustellen.
Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stellantriebes sind in den Unteransprüchen dargestellt und werden im Folgenden an Hand der Unteransprüche näher erläutert.
Vorteilhaft kann das Druckstück säulenförmige Fortsätze aufweisen, welche Öffnungen des Unterteils mit den säulenförmigen Fortsätzen vergleichbar im Querschnitt durchdringen. Dabei sind die Querschnitte derart gewählt, dass die Längsverschiebung der Fortsätze in den Öffnungen des Unterteils reibungsbehaftet ist und damit wieder auf sehr einfache und kostengünstige Art und Weise die für die Darstellung der Erfindung erforderliche Reibung erzeugt wird.
Um eine definierte Reibung des Druckstücks im Unterteil zu gewährleisten, ist es besonders vorteilhaft, wenn die übrigen Funktionsteile, welche mit dem Druckstück bewegt werden, weitgehend reibungsfrei und längs verschieblich im Unterteil geführt werden. So können die säulenförmigen Fortsätze des Druckstücks form- und/oder kraftschlüssig mit einem Führungselement des Weggebers verbunden sein, wobei das Führungselement im Wesentlichen reibungsfrei im Unterteil längs verschieblich geführt ist. So kann auch ein Halter für einen Permanentmagneten, einer als Hallsensor ausgebildeten Messeinrichtung, formschlüssig mit dem Führungselement verbunden und im Wesentlichen reibungsfrei im Unterteil längs verschieblich geführt werden. Zur längs verschiebliche reibungsfreien Führung des Halters kann das Unterteil einen Führungspfosten aufweisen.
Zur Kraftübertragung der Kraft der Druckfeder auf den Weggeber, kann ein Topf verwendet werden, an dem besonders vorteilhaft eine Hubanzeige angeordnet ist. Um die Sichtbarkeit der Hubanzeige zu gewährleisten, kann das Unterteil besonders vorteilhaft mit einer Abdeckkappe verbunden sein, welche einen transparenten Ring aufweist.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stellantriebes ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden Anhang der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Explosionsdarstellung des Stellantriebes,
2 einen Querschnitt durch den Stellantrieb in der Volt geschlossenen Stellung des Ventiles,
3 einen weiteren Querschnitt durch den Stellantrieb in der voll geschlossenen Stellung des Ventiles um 90° gegenüber 2 gedreht,
4 einen Querschnitt durch den Stellantrieb bei voll geöffneter Stellung des Ventiles und
5 einen Querschnitt durch den Stellantrieb bei voll geöffneter Stellung des Ventiles, wobei der temperaturabhängige Weggeber von dem Druckstück abgehoben ist.
In der 1 weist der Stellantrieb ein Unterteil (1) auf, welches mittels einer Anschlussmutter (10), mit einem in den Figuren nicht dargestellten Ventil verbunden ist. Eine typische Ventilanordnung und die Verbindung des Stellantriebes mit dem Ventil ergibt sich beispielsweise aus der DE19910751A1 . Das Unterteil weist eine zylinderförmige Ausnehmung (21) auf, welche in den 2–5 erkennbar ist. In dieser zylinderförmigen Ausnehmung (21) ist ein Druckstück (4) längs verschieblich und reibungsbehaftet angeordnet.
Diese Druckstück (4) weist säulenförmige Fortsetzte (22) auf, welche Öffnungen des Unterteils (1) durchdringen und über Rastverbindungen, mit einem Führungselement (5) im inneren des Stellantriebes, form- und kraftschlüssig verbunden sind. Dieses Führungselement (5) ist ebenfalls längs verschieblich in dem Unterteil (1) geführt. Die Führung dieses Führungselementes (5) im Unterteil (1) erfolgt jedoch weitgehend reibungsfrei.
Mit dem Führungselement (5) ist ein Halter (15) für einen Permanentmagneten verbunden, welcher ebenfalls weitgehend reibungsfrei und längs verschieblich auf einem Führungspfosten (16) des Unterteil (1) geführt ist. Der Permanentmagnet des Halters (15) wirkt dabei, mit einem Hallsensor (19) als Messeinrichtung zusammen, welcher auf einer Elektronik-Baugruppe (17) mit einem Mikroprozessor (20) angeordnet ist. Auch diese Elektronik-Baugruppe (17) ist auf dem Unterteil (1) befestigt und die elektrische Verbindung dieser Elektronik-Baugruppe (17), mit dem Bereich außerhalb des Stellantriebes, erfolgt über eine Stromversorgungs- und Steuerleitung (18).
Auf das Führungselement (6), welches längs verschieblich im Unterteil (1) geführt ist, wirkt das Gehäuse eines temperaturabhängigen Weggebers (14), dessen Arbeitskolben (23) wie in den 4–5 erkennbar sich am Unterteil (1) abstützt. Der Weggeber (14) ist in einem Topf (3) angeordnet, auf dem die Schließkraft einer Schraubendruckfeder (7) wirkt, welche sich anderseits an einer Abdeckhaube (11) des Stellantriebes abstützt. Mit dem Topf (3) ist eine Hubanzeige (2) verbunden, welche sich mit dem Topf und damit mit dem Gehäuse des Wegegebers (14) längs verschieblich bewegt. Diese Bewegung erfolgt gegenüber der Abdeckkappe (11), bzw. Haube (12) mit der die Abdeckkappe (11) verschlossen ist, und ist durch einen transparenten Ring (13), der im wesentlichen stirnseitig auf der Abdeckkappe (11) angeordnet ist, in seiner längs Bewegung erkennbar. Der Bediener des Stellantriebes kann damit die Hubposition der Hubanzeige (2) und damit des Weggebers (14) nachvollziehen.
In der 2 sind gleiche oder gleich wirkende Teile des Stellantriebes mit denselben Bezugzeichen wie in der 1 versehen. In der 2 wird noch einmal deutlich, wie der Gehäuseaufbau des Stellantriebes konkret gestaltet ist. Das heißt, die Haube (12), die auf der Abdeckkappe (11) angeordnet ist und welche die Elektronik-Baugruppe (17) abdeckt, ist hier deutlich erkennbar. Deutlich erkennbar ist auch, dass die Stromversorgungs- und Steuerleitung (18) eine Zugentlastung (9) aufweist.
Wie bereits zur 1 erläutert, ist das Druckstück (4) in einer zylinderförmigen Ausnehmung (21) des Unterteils (1) angeordnet. Zwischen der zylinderförmigen Ausnehmung (21) und dem Druckstück (4) ist ein O-Ring (6) vorgesehen, welcher bei einer Längsverschiebung des Druckstücks (4) gegenüber der zylinderförmigen Ausnehmung (21) des Unterteils, eine vorgegebene Reibung erzeugt. Ein weiterer O-Ring (8) ist vorgesehen um das Unterleil (1) gegenüber der Abdeckkappe (11) und der Haube (12) abzudichten. In der (2) ist nun die Position der verschiedenen Teile des Stellantriebes im Fall der fehlenden Stromversorgung des Weggebers (14) dargestellt, bei der, das in den Figuren nicht dargestellte Ventil, voll geschlossen und damit der Stößel des Ventiles soweit wie möglich in das Ventilgehäuse eingeschoben ist. Entsprechend ist das Druckstück (4) soweit wie möglich aus dem Unterteil (1) heraus geschoben.
In den 3–5 ist nun eine um 90° gedrehte Schnittebene gewählt, um die Darstellung auf die wesentlichen Funktionsteile zu reduzieren, wenn der Weggeber (14) durch den Mikroprozessor (20) bestromt wird. 3 zeigt dabei wieder den Stellantrieb bei fehlender Bestromung des Weggebers (14). Gleiche- oder gleichwirkende Teile des Stellantriebes sind in den 3–5 mit denselben Bezugszeichen dargestellt wie in den 1 und 2.
Wenn nun der Weggeber (14) durch den Mikroprozessor (20) bestromt wird, bewegt sich ein Arbeitskolben (23) aus dem Gehäuse des Weggebers (14) heraus. Dies wird in den 4 und 5 besonders deutlich. Dieser Arbeitskolben stützt sich zentral im Unterteil (1) ab, so dass das Gehäuse des Weggebers (14) gemeinsam mit dem Topf (3), der Hubanzeige (2) und der Druckfeder (7) in der Abdeckkappe (11) nach oben gedrückt wird.
Damit bewegt sich jedoch auch das Druckstück (4) gemeinsam mit dem Führungselement (5) und dem Halter (15), mit Permanentmagnet, betätigt durch die Öffnungskraft der auf den Stößel des Ventils wirkende Feder, gemeinsam in dem Unterteil (1), bzw. der Abdeckkappe (11) des Stellantriebes, in den Figuren nach oben bis sich die in der 4 dargestellte Position ergibt. In der in 4 dargestellten Position, ist das durch den Stellantrieb betätigte Ventil voll geöffnet, so dass der Stößel des Ventiles, maximal aus dem Ventil heraus ragt. Damit wird der maximale Hub (H) des Ventilstößels bestimmt.
Wenn nun der Weggeber (14) weiter bestromt wird, so ergibt sich das in der 5 dargestellte Bild, bei dem das Druckstück (4) in der bereits in 4 dargestellten Position verbleibt, weil der Stößel, des durch den Stellantrieb gesteuerten Ventils, sein maximalen Hub erreicht hat und die den Stößel betreibende Öffnungskraft nicht mehr aktiv ist. Das Gehäuse des Weggebers (14) hebt jedoch von dem Druckstück (4) ab und bewegt sich bei weiterer Bestromung des Weggebers (14) bis zu einer Position in der Abdeckkappe (11) die dem maximalen Hub (H) des Weggebers (14) entspricht.
Durch die reibungsbehaftete Längsverschiebung des Druckstücks (4) im Unterteil (1) wird also gewährleistet, dass die durch das Druckstück (4) bestimmte Position des Ventilstößels, mittels der Messeinrichtung, auch in der Öffnungsstellung sicher erfasst werden kann. Und diese Erfassung erfolgt weitgehend unabhängig von dem maximalen Hub (H) des Weggebers (14).
In diesem Zusammenhang ist es bedeutsam, dass die Position der Funktionsteile im Stellantrieb gemäß 5 sich nur bei dem Eichdurchlauf, beispielsweise bei Erstinbetriebnahme des Stellantriebes, auf einem Ventil ergibt. Im eigentlichen Regelbetrieb des Stellantriebes bewegt sich der Weggeber (14), wie auch das Druckstück (4) nur im Bereich des maximalen Hubs (H) des Ventilstößels, also zwischen den Endpositionen welche in den 3 und 4 dargestellt sind.

Claims

Stellantrieb zur Einstellung der Position eines Stößels eines Ventils, auf den eine Ventilfeder einwirkt und der zwischen zwei Endstellungen in axialer Richtung verstellbar ist, wobei zur Verstellung des Stößels ein mit einem in seiner Achsrichtung bewegbaren Arbeitskolben (23) ausgerüsteter temperaturabhängiger Weggeber (14) am Ventil befestigt ist, der durch einen an eine Spannungsquelle anschließbaren elektrischen Widerstand beheizbar ist und dem ein an der Stirnseite des Stößels anliegendes Druckstück (4) zugeordnet ist, auf welches eine Druckfeder (7) einwirkt, welche das Ventil bei nicht beheiztem Widerstand entgegen der Wirkung der Ventilfeder geschlossen hält und welche bei beheiztem, sich ausdehnendem Weggeber (14) durch das dabei von demselben bewegte Druckstück (4) zusammen gedrückt wird, so dass das Ventil durch die Ventilfeder geöffnet wird, wobei zwischen dem Widerstand und der Spannungsquelle ein durch einen Mikroprozessor (20) zu betätigender elektrischer Schalter angeordnet ist, wobei an dem Mikroprozessor (20) eine mit dem Druckstück (4) gekoppelte Messeinrichtung angeschlossen ist, die von der Position des Druckstückes (4) abhängige elektrische Spannungswerte an den Mikroprozessor (20) liefert, aus denen vom Mikroprozessor (20) eine zwischen einer der Schließstellung des Ventils entsprechenden minimalen Spannung und einer einem maximalen Hub des Stößels, bei welchem das Ventil voll geöffnet ist, entsprechenden maximalen Spannung liegende Regelstrecke gebildet und gespeichert wird und wobei beim Anschließen einer Steuerspannungsquelle an den Mikroprozessor (20), deren zwischen 0 und 100% einstellbarer Steuerspannung durch den Mikroprozessor (20) den Spannungswerten der in demselben gespeicherten Regelstrecke proportional zugeordnet werden, der Stößel des Ventils in eine Position gebracht wird, deren Entfernung von seiner der Schließstellung des Ventils entsprechenden Position in Prozent vom maximalen Hub desselben dem eingestellten prozentuellen Spannungswert der Steuerspannungsquelle entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (4) längsverschieblich und reibungsbehaftet in einem Unterteil (1) geführt ist, dass der maximale Hub (H) des Stößels, bei welchem das Ventil voll geöffnet ist, durch die Messeinrichtung erfasst und im Mikroprozessor (20) gespeichert wird und dass das kolbenförmige Druckstück (4) einen O-Ring (6) aufweist, der in einer zylinderförmigen Ausnehmung (21) des Unterteils (1) angeordnet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (4) säulenförmige Fortsätze (22) aufweißt, welche Öffnungen des Unterteils (1) mit den säulenförmigen Fortsätzen (22) vergleichbaren Querschnitts durchdringen und dass die Querschnitte derart gewählt sind, dass die Längsverschiebung der Fortsätze (22) in den Öffnungen des Unterteils (1), reibungsbehaftet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenförmigen Fortsätze (22), des Druckstücks (4), form- und/oder kraftschlüssig mit einem Führungselement (5) des Weggebers (14) verbunden sind, wobei das Führungselement (5) im Wesentlichen reibungsfrei im Unterteil (1) längsverschieblich geführt ist.
Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halter (15) für einen Permanentmagneten, einer als Hallsensor ausgebildeten Messeinrichtung (19), formschlüssig mit dem Führungselement (5) verbunden und im wesentlichen reibungsfrei im Unterteil (1) längsverschieblich geführt ist.
Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (1) einen Führungspfosten (16) für den Halter (15) aufweist.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Weggeber (14) in einem Topf (3) angeordnet ist, auf den die Druckfeder (7) wirkt.
Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Topf (3) mit einer Hubanzeige (2) verbunden ist.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (1) mit einer Abdeckkappe (11) verbunden ist, welche einen transparenten Ring (13) aufweist.