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Die Erfindung betrifft ein Ventilsystem, umfassend einen Ventilkörper zur Durchleitung eines Mediums, mit einem Ventilsitz, einen im Ventilkörper beweglich gelagerten Absperrkörper zum Verschließen des Ventilsitzes, welcher Absperrkörper elektromagnetisch über eine Spule zwischen einer Verschluss-Stellung und einer Offen-Stellung stufenlos positionierbar ist, und eine Steuervorrichtung zur Zuführung elektrischer Energie zur Spule. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchflussmengenbestimmung und/oder -regelung durch ein mit einer Spule elektromagnetisch betätigbares Ventil.
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Derartige Ventilsysteme werden beispielsweise in Schweißgeräten eingesetzt, bei denen der Schweißvorgang mit Hilfe eines Schutzgases unterstützt oder mit dessen Hilfe dieser vor Verschmutzungen geschützt wird. Beispielsweise offenbart hierzu die
WO 2009/031902 A1 einen Controller für ein den Schutzgasstrom einstellendes Ventil einer elektrischen Bogenschweißvorrichtung. Der Controller steuert das in der Zuführungsleitung für Schutzgas angeordnete Magnetventil, um so die erforderliche Menge an Schutzgas an der Schweißposition bereitstellen zu können. In der Gasleitung sind stromauf und stromab des Magnetventils Drucksensoren angeordnet, um mit deren Hilfe die bedarfsgerechte Versorgung der Schweißstelle mit Schutzgas für den gesamten Schweißvorgang zu gewährleisten. Dabei soll ein konstanter Schutzgasstrom bereitgestellt werden, unabhängig von dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck stromauf bzw. stromab des Magnetventils. Die Ansteuerung des Magnetventils erfolgt gemäß der
WO 2009/031902 A1 mit Hilfe einer pulsweiten-modulierten Spannungsversorgung. Diese stellt eine gepulste Gleichspannung mit konstanter Frequenz und unterschiedlichen Pulsweiten bereit, wobei der Öffnungsgrad des Magnetventils von der Pulsweite des Spannungssignals abhängig ist.
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Es wird jedoch im Stand der Technik als nachteilig empfunden, zwei Druckmess-Sensoren zur Erfassung Gasdrücke in der Zuleitung bereitstellen zu müssen, um die Schweißstelle mit einem konstanten Schutzgasstrom zu versorgen.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Ventilsystems umfassend einen Ventilkörper zur Durchleitung eines Mediums, dessen Durchflussmenge vergleichsweise einfach ermittelbar bzw. bestimmbar ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Durchflussmengenbestimmung und/oder -regelung durch ein mit einer Spule elektromagnetisch betätigbares Ventil.
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Die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den einzelnen abhängigen Ansprüchen angegeben, die entsprechend ihrer Rückbezüge vorteilhafterweise miteinander kombinierbar sind.
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Die Erfindung basiert auf einem Ventil, zu dessen Verschluss ein Absperrkörper gegen eine Strömung des Mediums in den Ventilsitz gepresst wird. Die auf den Absperrkörper einwirkende Magnetkraft wird vorzugsweise mit Hilfe einer pulsierenden Spannung erzeugt, die an der Betätigungsspule des Ventils angelegt wird. Hierdurch wird der Absperrkörper des Ventils in der Strömung des Mediums bewegt. Vorzugsweise erfolgt die Bewegung entgegen der Strömungsrichtung. Die Einstellung der Strömungsmenge durch das Ventil erfolgt durch eine Einstellung des durchströmbaren Querschnitts des Ventils, dessen Größe vom Abstand zwischen dem Ventilsitz und dem Absperrkörper abhängt.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gemein, dass eine von einer Lage des Absperrkörpers abhängige magnetische Induktion oder davon abhängige Größe der Spule bestimmt und zur Ermittlung bzw. Regelung der Durchflussmenge des durch das Ventil strömenden Mediums benutzt wird.
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In Bezug auf das Ventilsystem umfasst somit dieses eine Erfassungsvorrichtung für eine magnetische Induktion oder einer davon abhängigen Größe und eine Auswerte-Einheit, welcher Auswerte-Einheit die Werte der Erfassungsvorrichtung und der Spulenspannung zuführbar sind und bei der die Auswerte-Einheit Mittel zur Ermittlung der Durchflussmenge des Mediums und/oder den Abstand zwischen dem Ventilsitz und dem Absperrkörper aufweist.
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Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zu Grunde, dass die Position des elektromagnetisch betätigbaren Absperrkörpers nicht allein von der angelegten Spulenspannung und ggf. deren Frequenz abhängig ist, sondern auch davon, mit welchem Druck ein in das Ventil einströmendes Medium auf den Absperrkörper einwirkt und dieses dann im Ventil bei Fehlen der Versorgungsspannung unterschiedlich weit verschiebt. Gleichzeitig beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass die magnetische Induktivität der elektrischen Spule und folglich der sich durch die elektrische Spule einstellende elektrische Strom auch von der Position des Absperrkörpers abhängig ist. Mithin basiert das Ventilsystem auf den physikalischen Zusammenhängen, nach denen die Beschleunigung des Ventilkörpers zum Druck proportional ist, der Abstand vom Absperrkörper zum Ventilsitz proportional zur Beschleunigung und der Beschleunigungsdauer ist und der Durchfluss jeweils proportional zum Abstand des Ventilkörpers zum Ventilsitz und zum Druck ist. Die kontinuierliche Auswertung dieser physikalischen Zusammenhänge für mehrere, vorzugsweise jeden Spannungsimpuls durch die Mittel ermöglicht es in überraschender Weise ein Ventilsystem bereitzustellen, bei dem eine direkte Druckmessung nicht mehr zwingend erforderlich ist, um den Eingangsdruck am einströmseitigen Ventilanschluss zu ermitteln.
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Diese Effekte nutzt die Erfindung aus, um die mittlere Position des Absperrkörpers im Ventil und somit die Durchflussmenge durch das Ventil zu bestimmen.
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Die Messung des Durchflusses ist über den ggf. pulsierenden Abstand des Absperrkörpers zum Ventilsitz möglich. Die geometrischen Abmessungen der Spule, des Absperrkörpers und des Ventilsitzes und deren Anordnungen zueinander sind so gewählt, dass für jede Position des Absperrkörpers zwischen der Verschluss-Stellung und der Offen-Stellung sich eine unterschiedliche magnetische Induktion der Spule ergibt. Da somit der Abstand zwischen dem Absperrkörper und dem Ventilsitz einen Einfluss auf die magnetische Induktion der Spule hat, ist diese ein Repräsentant für die Durchflussmenge durch das Ventil, unter Berücksichtigung des Eingangsdrucks am Ventil. Die magnetische Induktion ist auch über den Spulen-Stromverlauf indirekt messbar, so dass alternativ oder ergänzend dieser zur Auswertung verwendet werden kann.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird eine pulsierende Versorgungsspannung an die Spule des Ventils des Ventilsystems angelegt. Am Ende eines jeden Spannungsimpulses befindet sich der Absperrkörper in der Strömung des gasförmigen oder flüssigen Mediums (bei einer nicht ganz verschlossenen und nicht ganz geöffneten Stellung) an einer ersten Position, die auch vom Eingangsdruck abhängt. Nach der Beendigung eines ersten Spannungsimpulses (U = 0V) bewegt sich der Absperrkörper des Ventils in Richtung seiner bevorzugten Endlage und in Abhängigkeit von dem Eingangsdruck, welcher an der Eingangsseite des Ventilkörpers ansteht. Bei einer ausreichend groß gewählten Frequenz der Spannungsversorgung wird mit dem nächsten Spannungsimpuls der Absperrkörper noch vor dem Erreichen seiner bevorzugten Endlage erneut entgegen der Strömungsrichtung bewegt. Aufgrund der zwischenzeitlich veränderten Lage des Absperrkörpers verändert sich die magnetische Induktion der Spule, was dann beim aktuellen Spannungsimpuls Einfluss auf den sich dann einstellenden Spulenstrom hat. Der sodann tatsächlich auftretende Spulenstrom ist somit auch ein Maß für die aktuelle Position des Absperrkörpers im Ventilkörper und für den Eingangsdruck am Ventil. Die Mittel der Auswerte-Einheit ermitteln sodann auf Basis des Spulenspannungs- und des Spulenstromverlaufs den aktuellen Abstand zwischen Absperrkörper und Ventilsitz. Dieser ist sodann ein Maß für die Durchflussmenge des Mediums, in Abhängigkeit des am Ventileingang anstehenden Eingangsdrucks.
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Anstelle dieser indirekten Induktionsmessung über den Spulenstrom ist es ebenso möglich, die Induktion der Spule mit Hilfe eines geeigneten Sensors, beispielsweise eines Hall-Sensors, zu ermitteln und dessen Signal in Verbindung mit dem Spannungssignal zur Ermittlung der Durchflussmenge einzusetzen.
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Insofern ist die Erfassungsvorrichtung vorzugsweise als Hall-Sensor oder als Stromsensor ausgebildet, um die magnetische Induktion unmittelbar oder mittelbar – beispielsweise über den Spulenstrom – zu erfassen. Zur mittelbaren Erfassung der Induktion kann einerseits diejenige Spule verwendet werden, die zur Positionierung des Absperrkörpers vorgesehen ist. Alternativ dazu ist ebenso denkbar, dass eine zweite Spule vorgesehen ist, welche als Mess-Spule allein zur Strommessung bzw. Magnetfluss-Messung fungiert.
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Im Betrieb des erfindungsgemäßen Ventilsystems ist folglich der Absperrkörper quasi in ständiger Hin- und Her-Bewegung, was man auch als Flimmern bezeichnen könnte. Hierdurch entsteht zwar eine zeitlich pulsierende Durchflussmenge, deren Schwankung um einen Mittelwert aber aufgrund der hohen Frequenz, die üblicherweise hier Anwendung findet, zu vernachlässigen ist, so dass das Ventilsystem die Durchflussmenge selbst bei sekundengenauer Betrachtung auf den zeitlich konstanten Mittelwert regeln kann.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Ventilsystems ist der Spule als Versorgungsspannung ein von der Steuervorrichtung generierbares a) pulsweiten-moduliertes Spannungssignal oder b) gepulstes Spannungssignal, dessen Frequenz und/oder Amplitude von der erfassten Größe abhängig ist, zuführbar. Mithin stehen zwei gleichwertige Spannungsversorgungssysteme zur Verfügung, mit denen eine zyklische Bewegung des Absperrkörpers im Ventilkörper ermöglicht ist, um im zeitlichen Mittel eine konstante Durchflussmenge an Medium einstellen zu können.
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Das gepulste Spannungssignal mit variabler Frequenz hat den Vorteil, dass dadurch eine Anpassung der Dauer der Bestromung bzw. des Abbaus der magnetischen Induktion möglich ist. Mithin kann gezielt Einfluss auf den Zeitpunkt der Messung und die Höhe des Mess-Signals genommen werden. Zudem kann eine schnellere Regelung damit erreicht werden.
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Weiter bevorzugt ist der Absperrkörper aus einem Material mit ferromagnetischer Permeabilität und der Ventilkörper zum Teil aus einem Material mit para- oder diamagnetischer Permeabilität.
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Dies ermöglicht eine effiziente und verlustarme elektromagnetische Betätigung des Absperrkörpers im Ventilkörper.
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Weiter bevorzugt kann eine Feder entgegen der magnetischen Kraft den Absperrkörper in eine bevorzugte Endlage pressen, die entweder die Verschluss-Stellung oder die Offen-Stellung des Ventils darstellt.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist stromauf des Ventilsitzes ein Drucksensor vorgesehen ist, dessen Signal über eine Leitung an die Auswerte-Einheit weiterleitbar ist. Damit lässt sich eine höhere Regelgüte erreichen.
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Bevorzugte Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Ventilsystems können beispielsweise Schweißgeräte sein, die mit Schutzgas betrieben werden oder auch Brennstoffsysteme einer Gasturbine, die ein vorgenanntes Ventilsystem aufweisen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Darin zeigt ein Ausführungsbeispiel in:
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1 das erfindungsgemäße Ventilsystem mit einem im Längsschnitt dargestellten Ventil gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels
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2 ein potentielles Kennfeld eines derartigen Ventilsystems und
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3 ein Ventil gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Ventilsystem.
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1 zeigt ein Ventilsystem 10, mit dem die Durchflussmenge eines Mediums M bestimmt und geregelt werden kann. Das Ventilsystem 10 umfasst ein Ventil 12 mit mehreren Komponenten: zum Ventil 12 gehören einerseits ein aus zwei Teilen bestehender Ventilkörper 14, dessen Teile in 1 mit 14a und 14b beschriftet sind. Der Ventilkörper 14 ist hohl ausgebildet und weist im Inneren einen Ventilsitz 16 auf, durch den das in das Ventil 12 eingangsseitig einströmende Medium M in das Innere des Ventils 12 geleitet wird. Dem Ventilsitz 16 gegenüberliegend ist ein Absperrkörper 18 angeordnet, der in X-Richtung verschiebbar beweglich angeordnet ist. Sofern der Absperrkörper 18 den Ventilsitz 16 bzw. dessen Öffnung 17 nicht vollständig verschließt, kann das in das Innere des Ventils 12 einströmende Medium M den Absperrkörper 18 umströmen und an einem Ausgang 20 des Ventils 12 ausströmen. Da es sich bei 1 um eine schematische Darstellung des Ventils 12 handelt, sind Führungselemente für eine geführte Verschiebung des Absperrkörpers 18 im Inneren des Ventils 12 nicht weiter dargestellt. Den Ventilkörper 14 zylindrisch umgreifend ist eine Spule 22 angeordnet, mit der der aus einem Material mit ferromagnetischer Permeabilität gefertigte Absperrkörper 18 elektromagnetisch betätigbar ist.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind die geometrischen Abmessungen der Spule 22, des Absperrkörpers 18 und die Lage des Ventilsitzes 16 so gewählt, dass die Spule 22 dann die größte magnetische Induktion aufweist, wenn das Ventil 12 geschlossen ist, d.h. der Absperrkörper 18 die Öffnung 17 verschließt. Mit zunehmenden Abstand A zwischen Ventilsitz 16 und Absperrkörper 18 sinkt die magnetische Induktion der Spule 22.
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Das Ventilsystem 10 umfasst ferner eine Steuervorrichtung 24 mit einer Generator-Schaltung zur Erzeugung einer pulsierenden Gleichspannung U. Die pulsierende Gleichspannung U kann über nur schematisch dargestellte Leitungen 25 an der Spule 22 angelegt werden.
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Weiter umfasst das Ventilsystem 10 eine Verarbeitungseinheit 26. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist im Inneren der Spule 22 ein Sensor 28 als erste Erfassungsvorrichtung 29a für eine magnetische Induktion B schematisch dargestellt, dessen Signale, welche die Größe der magnetischen Induktion repräsentieren, über eine Signalleitung 27 der Verarbeitungseinheit 26 zuführbar sind. Der Sensor 28 kann beispielsweise als Hall-Sensor ausgestaltet sein.
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Eine zweite Erfassungsvorrichtung 29b kann alternativ oder ergänzend zur ersten Erfassungsvorrichtung 29a vorgesehen sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch die zweite Erfassungsvorrichtung 29b lediglich schematisch dargestellt und als Strom-Messvorrichtung ausgestaltet, um den tatsächlich auftretenden Spulenstrom I zeitaufgelöst zu erfassen. Der tatsächlich auftretende Spulenstrom I ist auch von der magnetischen Induktion B abhängig, die von der aktuellen Position X des Absperrkörpers 18 im Inneren des Ventils 12 abhängt. Letzteres hängt vom Eingangsdrucks des in das Ventil 12 einströmenden Mediums M ab.
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Die Verarbeitungseinheit 26 bereitet die die magnetische Induktion B der Spule 22 repräsentieren Signale zur Weiterverarbeitung auf und leitet diese an eine Auswerte-Einheit 30 weiter. Auch das von der Steuervorrichtung 24 erzeugte und an der Spule 22 anliegende Spannungssignal U wird der Auswerte-Einheit 30 zugeführt. Zudem ermittelt ein nur schematisch dargestellter Drucksensor 33 den Eingangsdruck des Mediums M am Ventileingang. Dessen Signal wird dann über eine Leitung 31 an die Auswerte-Einheit 30 weitergeleitet. Aus diesen Informationen ermittelt die Auswerte-Einheit 30, wie groß die tatsächliche Durchflussmenge ṁ des Mediums durch das Ventil 12 ist. Alternativ zur Durchflussmenge ṁ kann auch der Abstand A zwischen dem Ventilsitz 16 und einer dieser gegenüberliegenden Fläche des Absperrkörpers 18 von der Auswerte-Einheit 30 bestimmt und ausgegeben werden.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Steuervorrichtung 24 ausgestaltet, entweder ein pulsweiten-moduliertes Spannungssignal als Versorgungsspannung der Spule 22 bereitzustellen oder ein gepulstes Spannungssignal, dessen Frequenz und/oder Amplitude von der erfassten Größe, welche die magnetische Induktion B repräsentiert, abhängig ist. Dazu ist die Verarbeitungseinheit 26 in der Lage, der Steuervorrichtung 24 ein Signal 32 bereitzustellen, wodurch die Regelung der Durchflussmenge m durch das Ventil 12 des Ventilsystems 10 auf einen bestimmten Sollwert ermöglicht wird.
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2 zeigt ein Durchflussmenge-Pulsweiten-Kennlinienfeld, bei dem die Durchflussmenge ṁ über die Pulsweite der Versorgungsspannung aufgetragen ist. Dieses Kennlinienfeld gilt somit für dasjenige Ausführungsbeispiel, bei dem ein pulsweiten-moduliertes Spannungssignal U von der Steuervorrichtung 24 bereitgestellt und an die Spule 22 anlegbar ist. Die Durchflussmenge, angegeben in Prozent des maximalen Durchflusses, ist einerseits abhängig vom eingangsseitig am Ventil 12 anstehenden Eingangsdruck des durchzuleitenden Mediums M und andererseits von der Position des Absperrkörpers 18 im Inneren des Ventils 12.
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In 2 sind vier Kennlinien 41 bis 44 für vier unterschiedliche Versorgungsdrücke p dargestellt. Die Kennlinie 41 zeigt die Durchströmungsrate in Abhängigkeit des pulsweitenmodulierten Spannungssignals bei dem Mindestdruck pmin. Die Kennlinie 44 zeigt die Durchflussrate in Abhängigkeit von dem Spannungssignal bei dem maximal zulässigen Eingangsdruck pmax. Die Kennlinien 42 und 43 zeigen die Durchflussmengen in Abhängigkeit von der Pulsweite der Versorgungsspannung für zwischen pmin und pmax liegende Druckwerte p1 und p2. Als weitere Parameter sind Linien 50 mit gleichem Induktionsverhalten dargestellt. Dieses Induktionsverhalten ist ein Repräsentant für den Abstand A zwischen dem Ventilsitz 16 und einer diesem gegenüberliegenden Verschlussfläche des Absperrkörpers 18.
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3 zeigt ein Ventil 12 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Ventil 112 kann anstelle des in 1 beschriebenen Ventils 12 in dem Ventilsystem 10 verwendet werden. In beiden 1 und 3 sind identisch wirkende Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist das Ventil 112 eine Feder 52 auf, welche den Absperrkörper 18 im drucklosen Zustand in einer bevorzugte Endlage positioniert. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die bevorzugte Endlage die Verschluss-Stellung des Ventils 112, bei der der Absperrkörper 18 die Öffnung 17 des Ventilsitzes 16 verschließt.
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Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind die geometrischen Abmessungen der Spule 22, des Absperrkörpers 18 und die Lage des Ventilsitzes 16 beim zweiten Ausführungsbeispiel so gewählt, dass die Spule 22 dann die größte magnetische Induktion aufweist, wenn das Ventil 12 offen ist, d.h. der Absperrkörper 18 weitestmöglich vom Ventilsitz 16 entfernt ist. Mit geringer werdenden Abstand A zwischen Ventilsitz 16 und Absperrkörper 18 sinkt dann die magnetische Induktion der Spule 22.
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Die Ermittlung des Eingangsdrucks wird nachfolgend anhand eines Kalibrierungsbeispiels für das in 3 dargestellte Ventil 112 beschrieben:
Zuerst wird für ein erstes pulsweiten-moduliertes Spannungssignal (mit einer Pulsweite von beispielsweise 25 %) im drucklosen Zustand eine magnetische Induktion ermittelt (von z.B. 35 µH). Der Durchfluss ist dann gleich 0 l/min. Nach einem Druckanstieg auf beispielsweise 500 mbar steigt die magnetische Induktion, beispielsweise auf einen Wert von 40 µH. Über ein vorher ermitteltes Kennfeld kann dann auf einen Durchfluss von 15 l/min bei 0,5 bar geschlossen werden. Wenn dann der Durchfluss auf beispielsweise 10 l/min reduziert werden soll, muss das pulsweiten-modulierte Spannungssignal auf 20 % reduzieren werden. Das Ergebnis sollte eine Induktion von 32 µH sein. Verringert sich über die Zeit die magnetische Induktion dann auf 30 µH, ist von einem Druckabfall und somit auch von einer Durchflussänderung auszugehen, so dass eine weitere Anpassung des PWM Signals zur Erhalt von 10 l/min erforderlich ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ventilbauformen beschränkt. Selbstverständlich können auch anders konstruierte Ventile in dem erfindungsgemäßen Ventilsystem zum Einsatz gelangen.
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Insgesamt werden mit der Erfindung ein Ventilsystem 10 und ein Verfahren zur Durchflussmengenbestimmung und/oder -regelung durch ein mit einer Spule 22 elektromagnetisch betätigbares Ventil 12 angegeben, wobei das Ventilsystem 10 umfasst: einen Ventilkörper 14 zur Durchleitung eines Mediums M mit einem Ventilsitz 16, einen im Ventilkörper 14 beweglich gelagerten Absperrkörper 18 zum Verschließen des Ventilsitzes 16, welcher Absperrkörper 18 elektromagnetisch über eine Zylinderspule 22 zwischen einer Verschluss-Stellung und einer Offen-Stellung stufenlos positionierbar ist und eine Steuervorrichtung 24 zur Zuführung elektrischer Energie zur Spule 22 aufweist. Um eine Strömungsmenge des Mediums M mit einer reduzierten Anzahl an Komponenten einfach regeln zu können, wird vorgeschlagen, dass das Ventilsystem 10 eine Erfassungsvorrichtung 29 für eine magnetische Induktion B oder einer davon abhängigen Größe und eine Auswerte-Einheit 30 umfasst, welcher Auswerte-Einheit 30 mittelbar oder unmittelbar das Signal der Erfassungsvorrichtung 29 und das Spannungssignal U zuführbar sind und wobei die Auswerte-Einheit 30 Mittel zur Ermittlung der Durchflussmenge des Mediums M und/oder des Abstands A zwischen Ventilsitz 16 und dem Absperrkörper 18 aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009031902 A1 [0002, 0002]
