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Die Erfindung betrifft einen Ventilantrieb zur Betätigung eines Ventils, mit einem Hubelement, das sich bei einer Betätigung des Ventils verstellt, und einem Wegsensor, mit dem die Position des Hubelements erfasst werden kann.
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Ein solcher Ventilantrieb kann insbesondere Teil eines Prozessventils sein, mit dem ein Strömungsquerschnitt für ein gasförmiges oder flüssiges Medium geschlossen und gesteuert freigegeben werden kann. Zur Verstellung des Ventilelements kann der Ventilantrieb beispielsweise einen pneumatisch betätigten Kolben aufweisen, einen elektromagnetischen Antrieb oder auch einen Linearantrieb, bei dem die Drehbewegung eines Motors mittels einer Spindel in eine Translationsbewegung umgesetzt wird.
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Bei vielen dieser Ventile ist es wünschenswert, dass die Position des Ventilelements bekannt ist. Hierfür kann ein Wegsensor verwendet werden, mit dem die Bewegung eines Bauteils erfasst wird, das direkt oder indirekt einen Rückschluss auf die Position des Ventilelements ermöglicht. Dieses Bauteil wird im Folgenden als Hubelement bezeichnet.
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Beispiele für Wegsensoren, die in Ventilantrieben für Prozessventile verwendet werden, sind ein magnetischer Maßstab, dessen Position von einem Sensor ausgelesen wird, oder eine Sensorspule, mit der die Position eines sogenannten Targets erfasst wird.
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Nachteilig bei den bekannten Wegsensoren ist, dass ihr Bauvolumen relativ groß ist. Hieraus folgt, dass auch das Bauvolumen der Ventilantriebe, in denen sie eingesetzt werden, relativ groß ist. Dies betrifft insbesondere die Bauhöhe gemessen parallel zur Verstellrichtung es Hubelements; da der Wegsensor üblicherweise deutlich länger sein muss als der maximal zu erfassende Hub, ergibt sich eine vergleichsweise große Bauhöhe.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ventilantrieb mit einem Wegsensor zu schaffen, der sich durch eine kompakte Bauform und einen flexiblen Aufbau auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Ventilantrieb der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Wegsensor eine elastisch verformbare, dielektrische Folie aufweist, die mit mindestens zwei Elektroden versehen ist, wobei die Folie durch eine Verstellung des Hubelements verformt wird. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, als zentrales Bauteil des Wegsensors einen elastisch verformbaren Kondensator zu verwenden. Ein solcher Kondensator ist sehr kompakt und kann, da er elastisch verformbar ist, sehr flexibel innerhalb des zur Verfügung stehenden Bauraums am Ventilantrieb angebracht werden.
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Ein solcher elastisch verformbarer Kondensator ist vereinfacht ausgedrückt so aufgebaut, dass auf der dielektrischen, elastisch verformbaren Folie mindestens zwei Elektroden aufgebracht sind, die ebenfalls verformbar sind. In einem einfachen Beispiel kann ein rechteckiger, langgestreckter Folienstreifen angenommen werden, der auf seiner Oberseite und auf seiner Unterseite jeweils mit einer Elektrode beschichtet ist. Zwischen den Elektroden ist somit ein Kondensator gebildet. Wird der Folienstreifen in die Länge gezogen, ändert sich der Abstand der Elektroden voneinander. Konkret verringert sich der Abstand der Elektroden, und die Kondensatorfläche vergrößert sich, da das Gesamtvolumen der dielektrischen Folie konstant bleibt und sich daher der Abstand zwischen ihrer Ober- und ihrer Unterseite verringern muss, wenn sie in die Länge gezogen wird. Die aus einer Verformung der Folie resultierende Änderung der Kapazität kann erfasst werden, und aus ihr kann auf die Verstellung des Hubelements rückgeschlossen werden, wenn der Zusammenhang zwischen der Verformung der dielektrischen Folie durch den Hub des Hubelements und der Änderung der Kapazität des Kondensators bekannt ist.
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Beispiele für solche dielektrischen Kondensatoren und die Auswertung der Änderung ihrer Kapazität finden sich beispielsweise in der
WO 2014/204323 A1 und
US 8,860,336 B2 .
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Abhängig vom Betrag des Hubs des Hubelements und vom zur Verfügung stehenden Raum am Ventilantrieb sind verschiedene Anordnungen der Folie möglich. Beispielsweise kann die Folie an einem Ende fest eingespannt und am anderen Ende mit dem Hubelement gekoppelt sein. Es ist auch möglich, dass die Folie an beiden Enden fest eingespannt ist und das Hubelement zwischen den Enden an der Folie angreift. Es ist auch möglich, dass die Folie entlang ihres Umfangs fest eingespannt ist und das Hubelement innerhalb des Umfangs an der Folie angreift. Je nach Position der Enden der Folien bzw. des Umfangs der Folie relativ zum Hubelement und insbesondere relativ zu einer der beiden Endlagen kann die Kurve von Hub über Relativverformung der Folie so eingestellt werden, dass in einem für den Betrieb des Ventils besonders interessanten Bereich des Hubes eine höhere Auflösung erhalten wird als in anderen Bereichen. Beispielsweise kann die Folie so angeordnet werden, dass sie vom Hubelement in der Nähe einer der Endlagen überproportional gedehnt wird, sodass der Wegsensor dort eine höhere Auflösung hat als in der Nähe der anderen Endlage.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kraftübertragungselement vorgesehen, das nur an einer Seite der Folie angreift. Bei dieser Ausgestaltung drückt das Kraftübertragungselement so gegen die Folie, dass diese immer gespannt gehalten wird.
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Das Kraftübertragungselement kann beispielsweise eine drehbare Rolle sein, die an einer Seite der Folie, beispielsweise an der Unterseite, angreift und diese dehnt, wenn das Ventil in einer Richtung betätigt wird. Wird das Ventil in der anderen Richtung betätigt, zieht sich die Folie elastisch zusammen, sodass sie weiterhin jederzeit am Kraftübertragungselement anliegt.
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Das Kraftübertragungselement kann auch eine Nadel sein, die an einem mit der Folie verbundenen Widerlager angreift. Die so gebildete Nadellagerung gewährleistet, dass das Hubelement keine unerwünschten Kipp- oder Drehbewegungen auf die Folie ausüben kann, wodurch eine fehlerhafte Messung entstehen würde.
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Es kann auch ein Kraftübertragungselement vorgesehen sein, an dem die Folie eingespannt ist. Dies ermöglicht es, die Folie in zwei Richtungen aktiv zu verstellen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftübertragungselement am Hubelement angebracht ist. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich eine sehr kompakte Bauform, da das Hubelement unmittelbar die Folie verformt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Kraftübertragungselement an einem Umlenkhebel angebracht ist. Dies ermöglicht, den Hub des Hubelements in der gewünschten Weise zu über- oder untersetzen.
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Hierbei ist dann vorzugsweise am Umlenkhebel ein Gleiter angeordnet, der mit dem Hubelement zusammenwirkt, sodass die Verstellbewegung des Hubelements präzise auf den Umlenkhebel übertragen wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Kraftübertragungselement ein translatorisch verstellbarer Schlitten ist. Hierbei ist das verstellbare Ende der Folie separat geführt, und die Verstellbewegung des Hubelements wird direkt oder indirekt auf den Schlitten übertragen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Verdrehsicherung für das Kraftübertragungselement vorgesehen. Mit der Verdrehsicherung wird gewährleistet, dass die Folie, wenn das Hubelement verstellt wird, nicht auch zusätzlich dadurch gedehnt wird, dass das Kraftübertragungselement sich verdreht; eine solche Verdrehung würde das Messsignal verfälschen und einen größeren oder geringeren Hub des Hubelements vorgaukeln, als dies tatsächlich der Fall ist.
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Die Verdrehsicherung kann unmittelbar am Kraftübertragungselement angreifen. Es ist alternativ auch möglich, dass die Verdrehsicherung am Hubelement angreift, sodass indirekt verhindert ist, dass sich das Kraftübertragungselement in unerwünschter Weise verdreht.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Folie im Wesentlichen parallel zur Verstellrichtung des Hubelements angeordnet ist. Dies ermöglicht es, einen linearen Zusammenhang zwischen Hub des Hubelements und Dehnung der Folie zu verwenden.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Folie schräg zur Verstellrichtung des Hubelements angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Hub des Hubelements und Dehnung der Folie eingestellt werden.
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Um die auf der Folie aufgebrachten Elektroden zu kontaktieren, ist ein Stecker vorgesehen, der je nach Einbausituation sich im Wesentlichen quer zur Verstellrichtung des Hubelements erstrecken kann oder auch im Wesentlichen parallel zur Verstellrichtung des Hubelements. Ein Beispiel für einen solchen Stecker findet sich in der
WO 2014/123431 A2 .
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Der Wegsensor kann unmittelbar in einen Stellantrieb integriert werden, also beispielsweise in einen Pneumatikzylinder oder auch einen Linearantrieb. Es ist auch möglich, dass der Wegsensor zumindest teilweise innerhalb eines Steuerkopfes angeordnet ist, der zusammen mit dem Stellantrieb den Ventilantrieb bildet.
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Das Hubelement kann beispielsweise eine Verlängerung einer Ventilspindel sein, wobei die Folie innerhalb des Steuerkopfes angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Wegsensor dort angeordnet, wo auch bisher üblicherweise der Wegsensor angeordnet ist, nämlich innerhalb des Steuerkopfes. Daher sind die nötigen Modifikationen minimal.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Hubelement eine Ventilspindel ist und ein Ende der Folie innerhalb des Stellantriebs mit der Ventilspindel gekoppelt ist. Hierdurch wird Bauraum innerhalb des Steuerkopfes eingespart.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Hubelement ein Kolben ist, der innerhalb des Stellantriebs angeordnet ist, und dass die Folie auf der Außenseite des Ventilantriebs angeordnet ist. Diese Lösung kann mit vergleichsweise geringem Aufwand nachgerüstet werden, da allenfalls minimale Modifikationen hinsichtlich des Stellantriebs nötig sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Ende der Folie an einem Schlitten befestigt ist, der magnetisch mit dem Kolben gekoppelt ist. Diese Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass keine Verlängerung auf der vom Ventilelement abgewandten Seite des Kolbens erforderlich ist.
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Für den Schlitten kann eine Führung vorgesehen sein, mit der er auf der Außenseite des Stellantriebs geführt ist. Eine solche Führung kann mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Hubelement Teil eines Linearantriebs ist, das von einem Antriebsmotor verstellt wird. Das Hubelement kann beispielsweise eine Bewegungsspindel sein, die von einer Spindelmutter translatorisch verstellt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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1 in einem schematischen Schnitt einen Ventilantrieb gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 in einem schematischen Schnitt einen Ventilantrieb gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3 in einer Draufsicht einen Ventilantrieb, wobei die dielektrische Folie nicht dargestellt ist;
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4 in einer schematischen Ansicht ein Hubelement zusammen mit daran angebrachtem Kraftübertragungselement und Verdrehsicherung in einer ersten Position;
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5 das Hubelement von 4 in einer zweiten Position;
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6 in einer schematischen Schnittansicht einen Ventilantrieb gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine Ausführungsvariante zur in 6 gezeigten Ausführungsform;
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8 in einer schematischen Schnittansicht einen Ventilantrieb gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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9 in einer Detailansicht den bei der vierten Ausführungsform verwendeten Umlenkhebel in einer ersten Position;
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10 den Umlenkhebel von 9 in einer zweiten Position;
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11 in einer schematischen Schnittansicht einen Ventilantrieb gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
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12 in einer schematischen Schnittansicht einen Ventilantrieb gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
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13 eine Ausführungsvariante des Ventilantriebs von 12;
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14 eine vergrößerte, perspektivische Schnittansicht des Ventilantriebs von 13 im Bereich des Wegsensors;
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15 in einer perspektivischen Schnittansicht die beim Ventilantrieb von 13 verwendete Folie;
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15a in einem schematischen Schnitt eine Ausführungsform mit kombiniertem Weg- und Drucksensor;
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16 in einer schematischen Schnittansicht einen Ventilantrieb gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
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17 in vergrößertem Maßstab ein Detail des Ventilantriebs von 16; und
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18 in einer schematischen Schnittansicht einen Ventilantrieb gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 ist schematisch ein Ventil 2 gezeigt, das einen Ventilsitz 3 und ein Ventilelement 4 aufweist. Das Ventilelement ist an einer Ventilspindel 5 angebracht und kann von dieser relativ zum Ventilsitz 3 verstellt werden, sodass dieser entweder geschlossen oder unterschiedlich geöffnet ist. Hierdurch wird ein Strömungsquerschnitt zwischen zwei Ventilanschlüssen 6 entweder versperrt oder mehr oder weniger freigegeben.
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Die Ventilspindel 5 kann von einem Stellantrieb 7 verstellt werden, der hier einen Kolben 8 enthält, der innerhalb eines Zylinders 9 verstellbar ist. Zusammen mit einem hier schematisch angedeuteten Steuerkopf 10 bildet der Stellantrieb 7 einen Ventilantrieb 12.
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Um die Verstellung des Ventilelements 4 erfassen zu können, ist der Ventilantrieb 12 mit einem Wegsensor 14 versehen.
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Der Wegsensor 14 weist als zentrales Bauteil einen elastisch verformbaren Kondensator 16 auf, der aus einer Folie 18 und zwei Elektroden 20 besteht.
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Als Material für die dielektrische Folie 18 sind beispielsweise ein Polymer, ein Silikon, ein Acrylat oder PU geeignet.
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Bei der ersten Ausführungsform hat die Folie 18 eine langgestreckt rechteckige Form. Geeignete Längen liegen in der Größenordnung von 2 cm bis 20 cm. Die Breite der Folie kann in der Größenordnung von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern betragen. Die Dicke der Folie beträgt beispielsweise 10 µm bis 100 µm.
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Die Elektroden 20 sind auf der Oberseite und der Unterseite der Folie 18 angeordnet. Sie können beispielsweise aus Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, leitfähigen Polymere, Nanodrähten oder einer Mischung aus diesen Materialien bestehen. Diese Materialien gewährleisten, dass die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden auch über eine große Anzahl von Verformungszyklen aufrechterhalten ist und dass eine mechanische Verformung des Dielektrikums allenfalls geringfügig beeinträchtigt wird.
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Die Elektroden können sich flächig über die Ober- und die Unterseite der Folie 18 erstrecken. Es ist jedoch auch möglich, nur partielle Elektroden auf der Ober- und der Unterseite zu verwenden. Es können auch einander beispielsweise kammartig überlappende Elektroden auf nur einer Seite der Folie verwendet werden. Wichtig ist, dass die Elektroden so angeordnet sind, dass sich bei einer Dehnung der Folie eine Änderung der Kapazität des gebildeten Kondensators ergibt.
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Wesentliches Merkmal des Kondensators 16 ist, dass er in erheblichem Maße elastisch gedehnt werden kann. So ist es beispielsweise möglich, dass der Kondensator um 50 % bis 100 % seiner Länge gedehnt werden kann und danach, wenn die äußeren Kräfte wieder nachlassen, er elastisch in seine Ausgangsform zurückkehrt. Die Elektroden 20 sind dabei so ausgeführt, dass sie die Verformungen der Folie mitmachen.
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Da die dielektrische Folie 18 inkompressibel ist, verringert sich insbesondere ihre Dicke, wenn sie gedehnt wird. Hierbei verringert sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden 20, sodass sich auch die Kapazität des aus der Folie 18 und den Elektroden 20 gebildeten Kondensators ändert.
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Der Kondensator 16 ist bei der gezeigten Ausführungsform mit seinen beiden Enden feststehend innerhalb des Steuerkopfes 10 angeordnet. An einem Ende ist ein Stecker 22 vorgesehen, der hier das untere Ende des Kondensators 16 mechanisch fixiert. Der Stecker 22 dient auch dazu, die beiden Elektroden 20 elektrisch zu kontaktieren, sodass die Kapazität des Kondensators 16 mittels einer Steuerung 24 gemessen werden kann.
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Das andere Ende des Kondensators 16, hier das obere Ende, ist an einem Aufhängungspunkt 26 feststehend innerhalb des Steuerkopfes 10 gehalten.
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Am Kondensator 16 greift ein Hubelement 28 an, das fest mit dem Kolben 8 verbunden ist und daher zusammen mit der Ventilspindel 5 und dem Ventilelement 4 verstellt wird. An seinem vom Kolben 8 abgewandten Ende ist das Hubelement 28 mit einem Kraftübertragungselement 30 versehen.
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Das Kraftübertragungselement 30 ist hier als Rolle ausgeführt.
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Der Kondensator 16 ist innerhalb des Steuerkopfes 10 so angeordnet, dass jede Änderung der Stellung des Ventilelements 4 zu einer Änderung der Länge des Kondensators 16 und damit zu einer Änderung von dessen Kapazität führt.
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Wird ausgehend von der in 1 gezeigten Stellung das Ventilelement 4 geöffnet, wird das Hubelement 28 in der Richtung des Pfeils P nach oben bewegt. Dabei wird der Kondensator 16 immer weiter gedehnt, da das Kraftübertragungselement 30 den Kondensator 16 von der Unterseite her nach oben drückt und dabei die Gesamtstrecke vom Stecker 22 über das Kraftübertragungselement 30 hin zum Aufhängungspunkt 26 immer länger wird, je weiter oben sich das Kraftübertragungselement 30 befindet.
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Die Steuerung 24 kann die Kapazität des Kondensators 16 messen und aus der Kapazität auf die Länge oder das Ausmaß der Dehnung des Kondensators 16 schließen. Hieraus lässt sich wiederum die Position des Ventilelements 4 ableiten.
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Es ist zu sehen, dass durch die Ausgestaltung der das Sensorelement umgebenden Mechanik die Kennlinie des Sensorelements, d. h. die Signaländerung als Funktion des Wegs des Ventilelements, beeinflusst werden kann. Der Wegsensor 14 hat im gezeigten Beispiel im Bereich der oberen Endlage des Ventilelements 4 eine höhere Auflösung als im Bereich der unteren Endlage. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine Verstellung des Ventilelements um eine kleine Wegeinheit im Bereich der unteren Endlage zu einer sehr viel geringeren Dehnung führt als im Bereich der oberen Endlage.
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Das bei der ersten Ausführungsform gezeigte Ventil 2 ist hier nur ein Beispiel. Es können andere Arten von Ventilen verwendet werden.
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Auch der Stellantrieb 7 ist hier lediglich ein Beispiel; das Ventilelement kann auf andere Art und Weise translatorisch verstellt werden.
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Innerhalb des Steuerkopfes 10 sind üblicherweise weitere Schaltungen und/oder Anschlüsse des Ventilantriebs 12 vorgesehen. Diese sind hier der besseren Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform die Auflösung des Wegsensors 14 im Bereich der oberen Endlage noch größer ist als bei der ersten Ausführungsform. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der zweiten Ausführungsform das obere Ende des Kondensators 16 unterhalb des Niveaus angeordnet ist, auf dem sich das Kraftangriffselement in der oberen Endlage befindet. Dies führt dazu, dass der Kondensator 16 in diesem Betriebsbereich, wenn das Kraftübertragungselement 30 um eine Wegeinheit verstellt wird, um mehr als eine Wegeinheit gedehnt wird. Würde der Stecker 22 näher am Hubelement 28 angeordnet, könnte der Kondensator 16 sich im Bereich der oberen Endlage U-förmig mit zwei zueinander parallelen Lagen um das Kraftübertragungselement 30 und das Hubelement 28 erstrecken, sodass eine Verstellung des Hubelements um eine Wegeinheit zu einer Dehnung des Kondensators 16 um zwei Wegeinheiten führt.
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Durch Vergleich der 1 und 2 ist zu erkennen, dass der Stecker 22 waagrecht angeordnet ist, also der Kondensator 16 den Stecker 22 waagrecht und damit senkrecht zur Verstellrichtung des Hubelements 28 verlässt. Bei der ersten Ausführungsform ist der Stecker 22 hingegen senkrecht angeordnet, sodass der Kondensator 16 den Stecker 22 senkrecht nach oben und damit parallel zur Verstellrichtung des Hubelements 28 verlässt.
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Durch Vergleich der 1 und 2 ist auch zu sehen, dass die Position von Stecker 22 und Aufhängungspunkt 26 relativ zueinander vertauscht sind.
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Die Ausrichtung des Steckers 22 relativ zur Verstellrichtung des Hubelements 28 sowie die Anordnung des Aufhängungspunktes 26 relativ zum Stecker 22 kann jeweils nach den konstruktiven Gegebenheiten geeignet gewählt werden.
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In 3 ist eine Draufsicht auf den Steuerkopf 10 der 1 und 2 zu sehen. Der Kondensator 16 ist hier der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Gut zu erkennen ist das Kraftübertragungselement 30, das hier als beidseits gelagerte Rolle ausgeführt ist. Gut zu sehen sind auch verschiedene andere Bauteile, die innerhalb des Steuerkopfes 10 angeordnet sind.
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In den 3 bis 5 ist auch eine Verdrehsicherung 32 zu sehen, die hier am Kraftübertragungselement 30 angreift, genauer gesagt an einer Lagergabel 34 des Kraftübertragungselements 30. Die Verdrehsicherung 32 ist hier als geradlinig verlaufende Führungsschiene ausgeführt, in der seitlich ein Ende der Lagergabel 34 aufgenommen ist. Dies gewährleistet, dass sich das Kraftübertragungselement 30 nicht um die Mittelachse des Hubelements 28 verdrehen kann. Eine solche Verdrehung würde nämlich zu einer unerwünschten Dehnung des Kondensators 16 führen.
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Abweichend von der gezeigten Ausführungsform kann die Verdrehsicherung auch unmittelbar am Hubelement 28 angreifen. Dieses könnte beispielsweise seitlich eine Nut aufweisen, in die ein Führungsstift eingreift.
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In 6 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der dritten Ausführungsform und den ersten beiden Ausführungsformen besteht darin, dass die beiden Enden des Kondensators 16 im Wesentlichen auf demselben Niveau angeordnet sind und das Kraftübertragungselement 30 mittig am Kondensator 16 angreift.
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Wenn das Kraftübertragungselement 30 in der Richtung des Pfeils P nach oben verstellt wird, werden die beiden Schenkel des Kondensators 16 gleichmäßig gedehnt.
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Der Stecker 22 ist hier schräg nach oben ausgerichtet, sodass der Kondensator 16 optimal nach oben aus dem Stecker 22 herausgeführt ist.
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Bei allen Ausführungsformen können am Stecker 22 geeignete Anlagekanten oder Umlenkflächen vorgesehen sein, sodass ein scharfkantiges Abknicken des Kondensators 16 verhindert ist. Dasselbe gilt für den Aufhängungspunkt 26.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, sowohl den Stecker 22 als auch den Aufhängungspunkt 26 drehbar festzulegen, sodass der Kondensator 16 sich dort ohne Knick oder Biegung optimal ausrichten kann.
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In 7 ist eine Ausführungsvariante zur in 6 gezeigten Ausführungsform dargestellt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der Ausführungsvariante gemäß 7 und der Ausführungsform von 6 besteht darin, dass bei der Ausführungsvariante gemäß 7 der Kondensator 16 gedehnt wird, wenn das Ventil 2 geschlossen wird. Bei der Ausführungsform gemäß 6 wird dagegen der Kondensator 16 gedehnt, wenn das Ventil 2 geöffnet wird.
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Das Kraftübertragungselement 30 ist bei der Ausführungsvariante gemäß 7 eine Rolle, die auf der Innenseite des streifenförmigen Kondensators 16 eingehängt ist. Somit kann eine von oben nach unten gerichtete Zugkraft auf den Kondensator ausgeübt werden.
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In 8 ist eine vierte Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der vierten Ausführungsform und den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der vierten Ausführungsform zwischen dem Hubelement 28 und dem Kondensator 16 ein Umlenkhebel 40 angeordnet ist. Dieser dient dazu, den Hub des Hubelements 28 in eine hier kleinere Dehnung des Kondensators 16 zu übersetzen.
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Abhängig von den gewünschten geometrischen Verhältnissen ist es grundsätzlich auch möglich, mit dem Umlenkhebel 40 den Hub des Hubelements 28 in eine größere Dehnung des Kondensators 16 zu übersetzen.
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Der Umlenkhebel 40 ist an einer Lagerachse 42 drehbar im Steuerkopf 10 angebracht, und in geringer Entfernung von der Lagerachse 42 ist der Kondensator 16 mit dem Umlenkhebel 40 verbunden (siehe auch die 9 und 10).
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Zur Kopplung zwischen dem Umlenkhebel 40 und dem Hubelement 28 ist hier wieder ein Kraftübertragungselement 30 vorgesehen, das als Gleiter ausgeführt ist. Der Gleiter 30 sitzt (zumindest nahezu) spielfrei auf der Umlenkstange 30 und gleitet je nach Position des Umlenkhebels 40 auf diesem in axialer Richtung.
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Ein weiterer Unterschied zwischen der vierten Ausführungsform und den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der vierten Ausführungsform der Kondensator 16 gedehnt ist, wenn sich das Ventilelement in der geschlossenen Stellung befindet. Bei der ersten bis dritten Ausführungsform ist das umgekehrt; der Kondensator 16 ist maximal gedehnt, wenn das Ventilelement 4 maximal geöffnet ist. Je nach Einbauverhältnissen kann dies jedoch auch anders gewählt werden.
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In 11 ist eine fünfte Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Bei der fünften Ausführungsform ist das Ende des Kondensators 16, welches verstellt wird, innerhalb des Stellantriebs 7 angeordnet. Zu diesem Zweck ist das Hubelement 28 sehr kurz ausgeführt, sodass der Kondensator 16 nahezu unmittelbar mit dem Kolben 8 gekoppelt ist.
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Das andere Ende des Kondensators 16 ist im Steuerkopf 10 angeordnet.
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Bei der fünften Ausführungsform ist die Dehnung des Kondensators 16 unmittelbar proportional zur Verstellung des Ventilelements 4.
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In 12 ist eine sechste Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Die sechste Ausführungsform basiert auf der vierten Ausführungsform. Der Unterschied zur vierten Ausführungsform besteht darin, dass der Kondensator 16 mit einem Widerlager 60 versehen ist, das auf der dem Hubelement 28 zugewandten Seite mit einer konischen Öffnung 62 versehen ist. In die Öffnung 62 greift das Kraftübertragungselement 30 ein, das hier als Nadel ausgeführt ist. Das Widerlager 60 ist also nach Art einer Kompassnadel auf dem Hubelement 28 gelagert.
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Die Verwendung eines nadelförmigen Kraftübertragungselements 30 zusammen mit dem Widerlager 60 gewährleistet, dass eine eventuelle Drehung des Hubelements 28 um seine Längsachse nicht auf den Kondensator 16 übertragen wird. Es ist daher nicht nötig, eine separate Verdrehsicherung für das Hubelement 28 zu verwenden.
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In den 13 bis 15 und 15a ist eine Ausführungsvariante zur sechsten Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der in den 13 bis 15 und 15a gezeigten Ausführungsvariante und der sechsten Ausführungsform besteht darin, dass bei der Ausführungsvariante kein streifenförmiger Kondensator verwendet wird, sondern ein im Wesentlichen kreisförmiger Kondensator. Das Widerlager 60 ist hier in der Mitte des vom Kondensator 16 definierten Kreises angeordnet, und der Umfang 66 des Kondensators wird mittels eines geeigneten (hier nicht dargestellten) Halterings am Ventilantrieb 12 festgelegt.
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Der Raum unterhalb des Kondensators 16 ist hier durch eine (nicht dargestellte) Öffnung zur Umgebung hin entlüftet. Dadurch ist gewährleistet, dass sich unterhalb des Kondensators 16 kein Über- oder Unterdruck aufbaut, wenn das Widerlager 60 verstellt wird.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Kondensator 16 den Raum zum Stellantrieb 7 hin druckdicht verschließt. In diesem Fall kann der Wegsensor 14 als kombinierter Weg- und Drucksensor verwendet werden, da auch das Verhältnis von Innendruck zu Außendruck zu einer Verformung des Kondensators 16 führt, die von der Steuerung 24 erfasst und ausgewertet werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel mit einem kombinierten Weg- und Drucksensor ist in 15a gezeigt. Im Widerlager ist eine Öffnung 61 zu sehen, durch die hindurch der Raum unterhalb des unteren Kondensators 16 mit dem Raum oberhalb dieses Kondensators verbunden ist; in beiden Räumen herrscht somit derselbe Druck P1.
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Der Raum oberhalb des unteren Kondensators 60 ist von einem zweiten Kondensator 16a zur Außenumgebung hin verschlossen. Aus diesem Grund ist der zweite Kondensator 16a der Druckdifferenz zwischen dem Druck P1 unterhalb des Kondensators 16a und einem Außendruck P2 ausgesetzt. Aus der Verformung des Kondensators 16a kann daher auf den Innendruck im Antrieb des Ventils geschlossen werden.
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In 13 sind auch zwei Federn 68 zu sehen, die den Kolben 8 beaufschlagen. Abhängig von der jeweiligen Konstruktion des Ventilantriebs 12 können die Federn 68 ober- oder unterhalb des Kolbens 8 angeordnet sein.
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In den 16 und 17 ist eine siebte Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der siebten Ausführungsform und den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der siebten Ausführungsform der Kondensator 16 außerhalb des Ventilantriebs 12 angeordnet ist.
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Der Kondensator 16 ist hier an einem Ende mittels des Steckers 22 festgelegt. Das andere Ende des Kondensators 16, der hier wieder als langgestreckter Streifen ausgeführt ist, ist hier an einem Schlitten 70 angebracht. Dieser ist parallel zur Verstellrichtung des Kolbens 8 auf der Außenseite des Stellantriebs in einer Führung 72 (siehe auch 16) geführt.
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Der Schlitten 70 ist mit Element 74 versehen, das magnetisch mit einem Ring 76 gekoppelt ist, der sich entlang des Außenumfangs des Kolbens 8 erstreckt. So kann z. B. das Element 74 ein Magnet und der Ring 76 aus Metall sein. Da die Gehäusehülle 9 des Stellantriebs 7 dünnwandig und aus nicht ferromagnetischem Material ausgeführt ist, wird der Schlitten 70 mitgenommen, wenn der Kolben 8 innerhalb des Stellantriebs 7 verstellt wird. Dabei wird der Kondensator entsprechend in seiner Länge verändert.
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Bei dieser Ausführungsform ist das Hubelement unmittelbar der Kolben 8.
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Der besondere Vorteil der siebten Ausführungsform besteht darin, dass der Wegsensor 14 mit vergleichsweise geringem Aufwand nachgerüstet werden kann. Es muss lediglich der Kolben 8 mit dem Metallring 76 versehen werden, und auf der Außenseite des Stellantriebs 7 muss der Wegsensor 14 mit dem Schlitten 70 angebracht werden.
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In 18 ist eine achte Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der achten Ausführungsform und den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der achten Ausführungsform ein Ende des Kondensators 16 an der Ventilspindel 5 angebracht ist. Diese wird von einem Linearantrieb 80 verstellt.
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Der Linearantrieb 80 wird an einem Bauteil, welches die Linearbewegung mitmacht und an einem feststehenden Bauteil befestigt. Insbesondere weist der Linearantrieb 80 einen Elektromotor 81 auf, der eine in axialer Richtung festgelegte Spindelmutter 82 antreibt. Die Spindelmutter 82 ist auf einer Spindelstange 84 angeordnet und verstellt diese in axialer Richtung, wenn die Spindelmutter 82 verdreht wird.
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Auch bei der achten Ausführungsform ist die Dehnung des Kondensators 16 proportional zur Verstellung des Hubelements 5, das hier unmittelbar die Ventilspindel 5 ist.
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Bei allen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Steuerung 24 einen Lernmodus hat, in welchem der Ventilantrieb einfach oder mehrfach zwischen seinen beiden Endlagen hin- und hergefahren wird und gleichzeitig die Steuerung 24 den sich dabei ergebenden Verlauf der Kapazität des Kondensators 16 aufzeichnet.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerung 24 diesen Lernprozess in regelmäßigen Abständen wiederholt, um beispielsweise die Kurve von Kapazität über Position des Hubelements zu aktualisieren.
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Ein besonderer Vorteil des Wegsensors 16 besteht in der fast leistungslosen Auswertung des Sensorsignals, da lediglich eine Kapazität ausgewertet wird. Hierfür ist ein sehr geringer Energieaufwand erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/204323 A1 [0009]
- US 8860336 B2 [0009]
- WO 2014/123431 A2 [0023]
