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Die Erfindung betrifft eine Mebraneinrichtung mit einem gestaltfest ausgebildeten Membrangehäuse, das von einem Arbeitskanal durchsetzt ist, der sich zwischen einer Eingangsmündung und einer Ausgangsmündung erstreckt, wobei in dem Arbeitskanal eine flexible Membran aufgenommen ist, die abdichtend mit dem Membrangehäuse verbunden ist und mit dem Membrangehäuse einen größenvariablen Arbeitsraum begrenzt.
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Aus der
DE 10 2007 002 765 B3 ist ein Quetschventil bekannt, bei dem an einem Außenumfang eines schlauchförmigen Ventilglieds ein quer bewegliches Quetschelement angeordnet ist, das durch Beaufschlagungsmittel betätigt werden kann, die längs des Ventilglieds verstellbar sind und die sich in einem Arbeitsraum befinden, der radial außen von einer Ventilgehäusewand umschlossen ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Membraneinrichtung bereitzustellen, die eine Beurteilung eines Betriebszustands und/oder eines Verschleißzustands für die Membran ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird für eine Membraneinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass dem Membrangehäuse ein Ansteuermittel zugeordnet ist, das für eine Einleitung einer Membranbewegung auf die Membran ausgebildet ist, um eine Querschnittsveränderung des zumindest bereichsweise von der Membran begrenzten Arbeitskanals zu ermöglichen, wobei dem Membrangehäuse und/oder der Membran eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, die für eine Deformationsermittlung und/oder eine Betriebszustandsermittlung für die Membran ausgebildet ist.
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Bei dem Ansteuermittel kann es sich beispielsweise um eine mechanische oder fluidische oder magnetische oder elektrische Einrichtung handeln, die dazu ausgebildet ist, eine Deformation der Membran herbeizuführen, um dadurch Einfluss auf eine Geometrie des Arbeitskanals zu nehmen, der zumindest abschnittsweise durch die Membran begrenzt ist. somit kann die Membraneinrichtung beispielsweise als Membrangreifer, als Membranventil oder als Membranpumpe ausgebildet sein.
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Rein exemplarisch kann es sich bei dem Ansteuermittel um einen linearbeweglichen Stößel handeln, der die Membran lokal deformiert. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Ansteuermittel als Steuerkanal ausgebildet ist, durch den ein Arbeitsfluid in den zwischen der Membran und dem Membrangehäuse ausgebildeten Arbeitsraum eingeleitet werden kann, um die gewünschte Membrandeformation herbeizuführen. Bei einer anderen Ausführungsform der Membraneinrichtung ist vorgesehen, dass eine Membrandeformation mit magnetischen und/oder elektrostatischen Kräften vorgenommen wird, die von dem Ansteuermittel auf eine geeignet ausgebildete Membran eingeleitet werden. In allen Fällen ist vorgesehen, dass der Membran eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, um eine lokale Deformation eines Teilbereichs der Membran oder eine Deformation der vollständigen Membran ermitteln zu können und daraus Rückschlüsse auf einen Betriebszustand und/oder einen Verschleißzustand der Membran ziehen zu können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das gestaltfest ausgebildete Membrangehäuse als Ventilgehäuse ausgebildet ist, das von einem als Ventilkanal dienenden Arbeitskanal durchsetzt ist, der sich zwischen der Eingangsmündung und der Ausgangsmündung erstreckt, wobei in dem Ventilkanal ein flexibler Ventilschlauch als Membran aufgenommen ist, der jeweils abdichtend mit der Eingangsmündung und der Ausgangsmündung verbunden ist und mit dem Ventilgehäuse einen größenvariablen Arbeitsraum begrenzt und wobei das Ventilgehäuse von einem Steuerkanal durchsetzt ist, der als Ansteuermittel dient und in den Arbeitsraum ausmündet und der für eine Bereitstellung eines Steuerfluids in den Arbeitsraum ausgebildet ist, um eine Querschnittsveränderung eines vom Ventilschlauch begrenzten Fluidkanals zu ermöglichen.
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Bei dem aus der
DE 10 2007 002 765 B3 bekannten Quetschventil sind zur Betriebsüberwachung elektrisch betätigbare Positionserfassungsmittel vorgesehen, mit denen sich mindestens eine Betriebsposition der Beaufschlagungsmittel erfassen lässt. Bei dem bekannten Quetschventil besteht eine eindeutige Zuordnung zwischen der Betriebsposition der Beaufschlagungsmittel und einem freien Querschnitt, der in Abhängigkeit von der Betriebsposition der Beaufschlagungsmittel vom schlauchförmigen Ventilglied freigegeben wird. Dementsprechend kann bei dem bekannten Quetschventil über eine Positionserfassung für die Beaufschlagungsmittel der Betriebszustand für das bekannte Quetschventil ermittelt werden.
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Demgegenüber ist bei der Ventileinrichtung eine fluidische Ansteuerung des Ventilschlauchs vorgenommen, sodass keine kinematische Kopplung zwischen einem Beaufschlagungsmittel und der Deformation des Ventilschlauchs besteht. Vielmehr wird der Ventilschlauch durch ein Kräftegleichgewicht zwischen dem Druck des Steuerfluids im Arbeitsraum, der Elastizität des Ventilschlauchs und dem Druck des im Fluidkanal strömenden Fluids beeinflusst. Somit muss für eine Ermittlung der Deformation des Ventilschlauchs und/oder für eine Ermittlung eines Betriebszustands für die Ventileinrichtung eine Sensoreinrichtung vorgesehen werden, die ohne eine kinematische Kopplung mit dem Ventilschlauch dennoch den gewünschten Zustand für den Ventilschlauch ermitteln kann.
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Die Sensoreinrichtung kann bei einer Membraneinrichtung, insbesondere bei einer Ventileinrichtung, für eine kapazitive und/oder magnetische und/oder optische und/oder akustische und/oder elektrische Positionserfassung wenigstens eines Teilabschnitts der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs gegenüber dem Membrangehäuse, insbesondere dem Ventilgehäuse, ausgebildet sein. Mit Hilfe einer derartigen Sensoreinrichtung, die insbesondere für eine kontaktlose Erfassung einer Deformation der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, ausgebildet ist, kann anhand der ermittelten Deformation ein Rückschluss auf die momentane Belastung der Membran oder gegebenenfalls auch auf Alterungsprozesse in der Membran, die gegebenenfalls zu einem Versagen der Membran führen können, eingesetzt werden. Exemplarisch kann vorgesehen sein, dass unterschiedliche Messverfahren miteinander kombiniert werden, um jeweils in bestimmten Teilabschnitten der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, Informationen über die Deformation der Membran in vorteilhafter Weise gewinnen zu können. Dabei werden insbesondere Schwingungen der Membran erfasst, wie sie bei einer Gestaltänderung der Membran, beispielsweise bei einer Veränderung eines Arbeitsdrucks in einem Arbeitsraum einer Ventileinrichtung, auftreten. Die ermittelten Schwingungen können dazu herangezogen werden, einen Deformationszustand der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs und/oder einen Betriebszustand der Membraneinrichtung, insbesondere der Ventileinrichtung, zu ermitteln.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Sensoreinrichtung für eine Einkopplung eines Anregungssignals in die Membran, vorzugsweise in den Ventilschlauch, insbesondere an einem Stirnbereich benachbart zur Eingangsmündung oder Ausgangsmündung, und für eine Erfassung einer Signalantwort auf das eingekoppelte Anregungssignal, insbesondere am Stirnbereich des Ventilschlauchs benachbart zur Eingangsmündung oder zur Ausgangsmündung, ausgebildet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Einkopplung des Anregungssignals an einem ersten Endbereich der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, und eine Auskopplung des Anregungssignals an einem entgegengesetzten Endbereich der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, vorgenommen wird, sodass als Messstrecke die gesamte Länge der Membran zur Verfügung steht. Beispielhaft ist die Sensoreinrichtung für eine Einkopplung einer mechanischen Welle, insbesondere eines Ultraschallsignals, in die Membran, insbesondere in den Ventilschlauch, ausgebildet, da in diesem Fall keine besonderen Vorkehrungen für die Membran getroffen werden müssen. Vielmehr dient die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, als Wellenleiter für die eingekoppelte mechanische Welle und die Signalantwort auf das eingekoppelte Anregungssignal kann beispielsweise im Hinblick auf eine Laufzeit ausgewertet werden, die die Welle zum Passieren der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, benötigt hat. Auf diesem Wege kann die akustische Impedanz der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, ermittelt und für die Beurteilung des Betriebszustands der Mebraneinrichtung, insbesondere der Ventileinrichtung, herangezogen werden.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung für eine Einkopplung eines optischen Anregungssignals in die Membran, insbesondere in den Ventilschlauch, ausgebildet ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, wahlweise aus einem optisch transparenten Material hergestellt ist oder zumindest bereichsweise mit optischen Leitmitteln, insbesondere Lichtwellenleitern, versehen ist. Die Aufgabe dieser optischen Leitmittel besteht darin, ein eingekoppeltes Lichtsignal bis zu einer Auskopplungsstelle zu leiten, wobei die Signalantwort, die an der Auskopplungsstelle aufgenommen werden kann, ein Maßstab dafür ist, in welcher Weise die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, deformiert ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Lichtleitmittel als Lichtwellenleiter, insbesondere als Kunststofffaser oder Glasfaser ausgebildet ist. In diesem Fall kann über die optischen Transmissionseigenschaften des Lichtleitmittels einen Rückschluss auf die Krümmung der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, und damit auf den Deformationszustand der Membran gezogen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung einen Feldgenerator für eine Einkopplung eines Energiefelds in den Arbeitsraum und einen Felddetektor für eine Erfassung einer Signalantwort auf das eingekoppelte Energiefeld ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung der Membraneinrichtung, insbesondere der Ventileinrichtung, werden Wechselwirkungen zwischen der Membran, insbesondere dem Ventilschlauch, und dem Arbeitsraum dazu genutzt, Aussagen über eine Deformation der Membran treffen zu können.
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Hierzu ist vorgesehen, den Arbeitsraum mit einem Energiefeld zu beaufschlagen, bei dem es sich beispielsweise um ein Schallfeld, ein optisches Strahlungsfeld, ein elektrisches Wechselfeld, ein Magnetfeld oder eine Kombination hiervon handeln kann. Dementsprechend ist der Felddetektor dazu ausgebildet, Änderungen des Energiefelds aufgrund veränderlicher Deformation der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, zu ermitteln, um daraus die gewünschte Information über den Deformationszustand und/oder den Betriebszustand der Ventileinrichtung ableiten zu können. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Steuerfluid um ein gasförmiges Fluid, insbesondere Druckluft. Ferner ist die, insbesondere als Ventilschlauch ausgebildete Membran aus einem elastischen Material, insbesondere einem gummielastischen Material, hergestellt und bildet eine dem Arbeitsraum zugewandte Grenzfläche. Diese Grenzfläche weist für viele Energieformen wie Schallwellen, elektromagentische Wellen, magnetische Flüsse, etc. stark abweichende Eigenschaften verglichen mit dem im Arbeitsraum aufgenommenen Steuerfluid auf. Dementsprechend ist durch die Auswertung der Signalantwort für das in den Arbeitsraum eingestrahlte Energiefeld durch den Felddetektor eine zumindest qualitative, vorzugsweise eine quantitative, Aussage über die Deformation der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, möglich.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Feldgenerator als Schallquelle, insbesondere als Ultraschallquelle, ausgebildet ist und dass der, insbesondere als Mikrofon oder Körperschallsensor ausgebildete, Felddetektor als im Arbeitsraum oder im Steuerkanal oder im Membrangehäuse, insbesondere im Ventilgehäuse, angeordneter Schwingungssensor ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines Schallfelds zur Ermittlung des Deformationszustands für die Membran, insbesondere den Ventilschlauch, kann eine kostengünstige Sensoreinrichtung verwirklicht werden, da in diesem Fall keine Veränderungen an der Membran gegenüber einer bislang üblichen Membran erforderlich sind. Vielmehr weist die, insbesondere als Ventilschlauch ausgebildete, Membran bereits aufgrund ihrer im Vergleich zu Druckluft als Steuerfluid für die Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums kompakten Gestaltung vorteilhafte Reflexionseigenschaften für Schallwellen auf. Die Erfassung der vom Feldgenerator bereitgestellten und zumindest teilweise von der Membran, insbesondere vom Ventilschlauch, reflektierten Schallwellen erfolgt über einen Schwingungssensor, der als Mikrofon oder Körperschallsensor ausgebildet sein kann und der wahlweise im Arbeitsraum oder im Steuerkanal oder in fluidischer Trennung vom Arbeitsraum im Ventilgehäuse angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, mit einer elektrisch leitenden Beschichtung, insbesondere mit einer Anordnung von deformationsabhängigen elektrischen Widerständen, versehen ist und dass ein Feldgenerator für eine Einkopplung von elektrischer Energie oder elektrischen Wechselfeldern auf die Membran, insbesondere den Ventilschlauch, und ein Felddetektor für eine Auskopplung von elektrischen Strömen oder elektrischen Wechselfeldern aus der Membran, insbesondere dem Ventilschlauch, ausgebildet ist. Die elektrisch leitende Beschichtung kann an einer Innenoberfläche oder an einer Außenoberfläche der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, oder als Zwischenlage zwischen zwei Schichten einer gegebenenfalls mehrlagig ausgebildeten Membran ausgebildet sein. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Feldgenerators und des Felddetektors kann es sich bei der elektrisch leitenden Beschichtung um eine durchgehende elektrisch leitende Schicht oder um eine Anordnung von elektrischen Leitern oder um eine Anordnung von deformationsabhängigen elektrischen Widerständen, handeln. Bei einer Ausgestaltung der Beschichtung als durchgängige elektrisch leitende Schicht kann vorgesehen sein, dass der Feldgenerator für eine Einkopplung eines elektrischen Wechselfelds auf den Ventilschlauch ausgebildet ist, um hierdurch Wirbelströme in der elektrisch leitenden Beschichtung der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, hervorzurufen. Diese Wirbelströme können mit Hilfe des Felddetektors ermittelt werden und stellen ein Maß für die Deformation der Membran dar. Bei einer Ausgestaltung der elektrisch leitenden Beschichtung als Anordnung von elektrischen Leitern kann in ähnlicher Weise vorgegangen werden, alternativ kann vorgesehen sein, Übergangswiderstände zwischen benachbarten elektrischen Leitern zu ermitteln, um hierüber Erkenntnisse über die Beabstandung und Deformation von Teilbereichen der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, zu erhalten. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die elektrisch leitende Beschichtung mehrere deformationsabhängige elektrische Widerstände, die mit Hilfe des Feldgenerators mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, wobei der Stromfluss durch die Widerstände mit Hilfe des Felddetektors ermittelt werden kann, um als Maß für eine Deformation der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, hergezogen zu werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Feldgenerator für eine Bereitstellung eines elektrischen Felds, insbesondere eines elektrischen Wechselfelds, und der Felddetektor für eine Erfassung des elektrischen Felds, insbesondere als kapazitiver Sensor, ausgebildet ist und dass die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, dielektrische Eigenschaften für eine deformationsabhängige Beeinflussung des elektrischen Felds aufweist. Bei dieser Ausgestaltung der Ventileinrichtung ist es nicht erforderlich, dass die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, in besonderer Weise auf die Sensoreinrichtung angepasst wird. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die Membran dielektrische Eigenschaften aufweist, die für eine Beeinflussung eines vom Feldgenerator bereitgestellten elektrischen Felds, insbesondere Wechselfelds, geeignet ist, wobei dies für eine Vielzahl von elastischen Materialien ohnehin zutrifft. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Feldgenerator ein elektrisches Wechselfeld in den Arbeitsraum einkoppelt und der Felddetektor das eingekoppelte Wechselfeld ermittelt. Bei einer fluidisch gesteuerten Ventileinrichtung kann in Abhängigkeit von einer durch das Steuerfluid und den Fluiddruck im Fluidkanal bestimmten Deformation der als Ventilschlauch ausgebildeten Membran eine mehr oder weniger starke Beeinflussung des Wechselfelds vorliegen, die vom Felddetektor oder einer nachgeschalteten Verarbeitungseinrichtung mit einer Wertetabelle oder einem Kennfeld verglichen werden kann, um einen Rückschluss auf die Deformation der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, treffen zu können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung als Feldgenerator wenigstens eine in der Membran, insbesondere im Ventilschlauch, aufgenommene Magneteinrichtung, insbesondere einen Permanentmagneten, und als Felddetektor einen dem Ventilgehäuse zugeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor umfasst, der für eine Lageerfassung des Permanentmagneten ausgebildet ist. Wahlweise kann die in der Membran, insbesondere im Ventilschlauch, aufgenommene, beispielhaft als Permanentmagnet ausgebildete Magneteinrichtung, als diskretes Bauelement, insbesondere als Stabmagnet oder Rundmagnet, ausgebildet sein und an einer exakt vorgegebenen Position in der Membran angeordnet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, bei der Herstellung des Ventilschlauchs magnetisierbare oder magnetisierte, insbesondere ferromagnetische oder permanentmagnetische, Teilchen in eine gestaltlose Masse, aus der nachfolgend die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, geformt wird, einzubringen und dadurch für eine Integration solcher Teilchen in der Membran zu sorgen. Bei einer Einbettung von magnetisierbaren, insbesondere ferromagnetischen, Teilchen in die Membran ist ein separater Feldgenerator, insbesondere ein dem Ventilgehäuse zugeordneter Permanentmagnet vorzusehen, dessen Flussdichteverteilung in Abhängigkeit von einer Deformation der Membran durch die dort enthaltenen magnetisierbaren Teilchen beeinflusst wird. Der Felddetektor kann beispielsweise als Hall-Sensor, vorzugsweise als 2D-Hall-Sensor oder als 3D-Hall-Sensor, oder als GMR-Sensor oder als magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein. Jedenfalls dient der Felddetektor dazu, eine abstandsabhängige Flussdichteverteilung der Magneteinrichtung, insbesondere eine Flussdichteverteilung für den wenigstens einen Permanentmagneten, zu ermitteln und daraus, insbesondere unter Einbeziehung einer Wertetabelle oder eines Kennfelds, Rückschlüsse auf eine Deformation des Ventilschlauchs ziehen zu können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung als Netzwerk von mehreren Feldgeneratoren und mehreren Felddetektoren ausgebildet ist, die für eine Ermittlung einer räumlichen Deformation der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, ausgebildet sind. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, die Feldgeneratoren und Felddetektoren in einer vorgegebenen räumlichen Teilung an der Membran, insbesondere am Ventilschlauch, beziehungsweise am Membrangehäuse, insbesondere am Ventilgehäuse, anzuordnen und vor einer Inbetriebnahme der Membraneinrichtung eine Kalibrierung der Sensoreinrichtung vorzunehmen, um jeweils Werte für die Wertetabelle oder das Kennfeld speichern zu können, die eine Beziehung zwischen Sensorsignalen der einzelnen Felddetektoren und Deformationszuständen der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, wiederspiegeln.
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Die von der wenigstens einen Sensoreinrichtung ermittelten Deformationszustände der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, können zum einen für eine Beurteilung des aktuellen Betriebszustandes der Membraneinrichtung herangezogen werden. Beispielsweise kann somit nachvollzogen werden, in welchem Öffnungs- beziehungsweise Schließzustand sich die Membran, insbesondere der Ventilschlauch, in Abhängigkeit vom Steuerfluid(-druck) im Arbeitsraum befindet. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, die Messwerte der Sensoreinrichtung für eine langfristige Beurteilung des Verschleißzustandes der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, heranzuziehen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in einem Neuzustand der Membran, insbesondere des Ventilschlauchs, eine Reihe von Messwerten der Sensoreinrichtung gespeichert wird und über die Zeit wiederkehrend mit aktuellen Messwerten verglichen wird, um gegebenenfalls vorliegende Abweichungen zwischen den ursprünglich gespeicherten Messwerten und den aktuellen Messwerten im Hinblick auf Verschleißerscheinungen an der Membran, insbesondere am Ventilschlauch, auswerten zu können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Ventileinrichtung mit zwei unterschiedlichen Ausführungsformen von Sensoreinrichtungen, die ergänzend oder alternativ für eine Ermittlung einer Deformation eines Ventilschlauchs eingesetzt werden können,
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2 eine schematische Draufsicht auf die Ventileinrichtung gemäß der 1,
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Ventileinrichtung mit einer Sensoreinrichtung, die eine Vielzahl von Feldgeneratoren und Felddetektoren umfasst, und
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4 ein Ausschnitt einer Variante der Ventileinrichtung gemäß den 1 und 2.
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Die nachstehende Beschreibung von Membraneinrichtungen ist exemplarisch auf Ventileinrichtungen gerichtet, bei denen eine als Ventilschlauch ausgebildete Membran für eine Beeinflussung eines freien Querschnitts eines Fluidkanals eingesetzt wird. Andere Membraneinrichtungen wie beispielsweise Membrangreifer, Membranpumpen oder Membranventile, bei denen anstelle des nachstehend näher beschriebenen Ventilschlauchs eine flächige, flexible Membran eingesetzt wird, können in gleicher Weise zusammen mit den nachstehend näher beschriebenen Messverfahren für die Abtastung der Membran verwendet werden.
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Eine in den 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ventileinrichtung 1 ausgebildeten Membraneinrichtung ist zur Beeinflussung eines freien Strömungsquerschnitts eines Fluidkanals 2 ausgebildet. Der Fluidkanal 2 kann wahlweise von einem flüssigen fluid oder einem gasförmigen Fluid oder einem Fluidgemisch, das Flüssigkeitsanteile und/oder Gasanteile und/oder Feststoffpartikelanteile enthält, durchströmt werden.
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Die Ventileinrichtung 1 ist dazu vorgesehen, in ein nicht dargestelltes Rohrsystem eingebaut zu werden und weist zu diesem Zweck aneinander entgegengesetzten Stirnseiten 3, 4 jeweils Anschlussstutzen 5, 6 auf. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Anschlussstutzen 5, 6 jeweils als kreiszylindrische Hülsenabschnitte ausgebildet sind, die in korrespondierend geformte, nicht dargestellte Rohrabschnitte eines rohrsystems abdichtend eingesteckt werden können.
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Die Ventileinrichtung 1 umfasst ein Ventilgehäuse 7, das exemplarisch rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse 8 ausgebildet ist und das von einem Ventilkanal 9, der sich exemplarisch mit einem kreisrunden Querschnitt längs der Mittelachse 8 erstreckt, durchsetzt ist. Im Bereich der Stirnseiten 3, 4 weist das Ventilgehäuse 7 jeweils kreisringförmig ausgebildete Ausnehmungen 10, 11 auf, die jeweils auch als Mündung für den Ventilkanal 9 bezeichnet werden. Beispielhaft gilt es die Ausnehmung 10 eine Eingangsmündung während die Ausnehmung 11 eine Ausgangsmündung für den Ventilkanal bildet.
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Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass die Anschlussstutzen 5, 6 jeweils an einem dem Ventilgehäuse 7 zugewandten Endbereich mit einem Ringbund 15, 16 versehen ist, der jeweils vom Anschlussstutzen 5, 6 in radialer Richtung nach außen und zirkular umlaufend abragt und an die Ausnehmung 10 beziehungsweise 11 angepasst ist. Dementsprechend kann beispielhaft vorgesehen werden, in den jeweiligen Ausnehmungen 10, 11 unter Zuhilfenahme der Anschlussstutzen 5, 6 jeweils einen Endbereich 17, 18 eines Ventilschlauchs 19 formschlüssig festzulegen. Exemplarisch sind die Endbereiche 17, 18 des zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Mittelachse 8 aus einem gummielastischen Material ausgebildeten Ventilschlauchs 19 wulstartig umlaufend hergestellt, sodass diese Endbereiche 17, 18 formschlüssig abdichtend in den Ausnehmungen 10, 11 festgelegt werden können.
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Der Ventilschlauch 19 begrenzt mit einer Innenoberfläche den größenvariablen Ventilkanal 9 und mit einer Außenoberfläche 21 zusammen mit einer Innenwand 22 des Ventilgehäuses 7 einen Arbeitsraum 23. Gemäß der Darstellung der 1 ist der Arbeitsraum 23 ringförmig rotationssymmetrisch zur Mittelachse 8 ausgebildet und kann über einen Steuerkanal 24, der das Ventilgehäuse 7 ausgehend von einem Anschlussstutzen 25 bis zum Arbeitsraum 23 durchsetzt, mit einem druckbeaufschlagten Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit oder einem Gas, vorzugsweise Druckluft, beaufschlagt werden. Durch die Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 23 kann eine Einschnürung eines freien Querschnitts des Fluidkanals 2 unter Ausnutzung der elastischen Eigenschaften des Ventilschlauchs 19 erreicht werden. Der bei Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 23 freibleibende Querschnitt des Fluidkanals 2 hängt von einem Druckverhältnis zwischen einem Steuerfluiddruck im Arbeitsraum 23 und einem Fluiddruck im Ventilkanal 2 sowie der Elastizität des Ventilschlauchs 19 ab.
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Um eine Ermittlung einer Deformation des Ventilschlauchs 19 während eines Betriebs der Ventileinrichtung 1 zu ermöglichen umfasst die Ventileinrichtung 1 gemäß der Darstellung der 1 und 2 zwei voneinander unabhängige Sensoreinrichtungen 30, 40. Dabei ist die erste Sensoreinrichtung 30 für eine Deformationsermittlung am Ventilschlauch durch Einkopplung eines Wechselfelds in den Arbeitsraum 23 ausgebildet, während die Sensoreinrichtung 40 für eine Deformationsermittlung am Ventilschlauch 19 durch unmittelbare Energieeinkopplung in den Ventilschlauch 19 ausgebildet ist.
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Die Sensoreinrichtung 30 umfasst einen als Ultraschallsender 31 ausgebildeten Feldgenerator, der versenkt in der Innenwand 22 des Ventilgehäuses 7 angeordnet ist und elektrisch mit einer Ansteuereinrichtung 32 verbunden ist. Die Ansteuereinrichtung 32 umfasst exemplarisch einen nicht näher dargestellten Ultraschallgenerator, der zur Bereitstellung eines hochfrequenten elektrischen Signals ausgebildet ist, das an den Ultraschallsender 31 bereitgestellt werden kann, damit dieser Ultraschallsignale in den Arbeitsraum 23 aussenden kann. Ein Empfang der ausgesendeten Ultraschallsignale erfolgt mit Hilfe eines als Schwingungssensor 33 ausgebildeten Felddetektors, der ebenfalls in der Innenwand 22 des Ventilgehäuses 7 versenkt angeordnet ist. Alternativ können auch Schallsignale mit niedrigeren Frequenzen eingesetzt werden. Der Schwingungssensor 33 ist über eine Sensorleitung 34 elektrisch mit der Ansteuereinrichtung 32 verbunden, die auch zur Auswertung eines Sensorsignals des Schwingungssensors 33 ausgebildet ist. Für eine Ermittlung der Deformation des Ventilschlauchs 19 werden in einer von der Ansteuereinrichtung 32 koordinierten Weise Ultraschallsignale vom Ultraschallsender 31 in den Arbeitsraum 23 ausgesendet und vom Schwingungssensor 33 empfangen und als Signalantwort über die Sensorleitung 34 an die Ansteuereinrichtung 32 übertragen. Dabei steht die Signalantwort des Schwingungssensors 33 auf das vom Ultraschallsender 31 ausgesendete Ultraschallsignal in Abhängigkeit von einer Deformation des Ventilschlauchs 19, da dieser in Abhängigkeit von seiner Deformation, die im Zusammenhang mit den Druckverhältnissen im Fluidkanal 2 und im Arbeitsraum 23 steht, beeinflusst wird. Vorteilhaft ist es, wenn in der Ansteuereinrichtung 32 eine Wertetabelle oder ein Kennfeld gespeichert ist, das während einer Kalibrierungsphase für die Sensoreinrichtung 30 erstellt wurde und mit dessen Hilfe ein Zusammenhang zwischen der Signalantwort des Schwingungssensors 33 und der Deformation des Ventilschlauchs 19 hergestellt werden kann. Als Ergebnis der Auswertung der Signalantwort kann die Ansteuereinrichtung 32 an einer nicht dargestellten Ausgabeschnittstelle ein elektrisches Sensorsignal ausgeben, das die ermittelte Deformation des Ventilschlauchs 19 repräsentiert.
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Die Sensoreinrichtung 40 stellt eine zweite Ausführungsform einer Sensoreinrichtung dar und ist dazu vorgesehen, eine unmittelbare Energieeinkopplung in den Ventilschlauch 19 vorzunehmen und eine unmittelbare Auskopplung einer Signalantwort auf die eingekoppelte Energie vorzunehmen, um hiermit eine Deformation des Ventilschlauchs 19 zu ermitteln. Zu diesem Zweck umfasst die Sensoreinrichtung 40 exemplarisch mehrere zirkular an der Stirnseite 3 der Ventileinrichtung 1 angeordnete, als elektromechanische Impulsgeber 41 ausgebildete Feldgeneratoren, bei denen es sich beispielsweise um Piezoaktoren handeln kann, die bei Beaufschlagung mit einem elektrischen Signal einen mechanischen Impuls bereitstellen können. Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass die Impulsgeber 41 an einer Stirnfläche 26 des Ventilgehäuses 7 festgelegt sind und für eine Einwirkung auf den Ringbund 15 des Anschlussstutzens 5 eingerichtet sind. Durch Einleitung eines Impulses durch die Impulsgeber 41 auf den Anschlussstutzen 5 wird eine Welle erzeugt, die vom Anschlussstutzen 5 in den Endbereich 17 des Ventilschlauchs 19 eingekoppelt wird und von dort ausgehend den Ventilschlauch 19 bis zum entgegengesetzten Endbereich 18 durchläuft. An der Stirnseite 4 des Ventilgehäuses 7 sind an einer der Stirnfläche 26 entgegengesetzten Stirnfläche 27 des Ventilgehäuses 7 jeweils Schwingungssensoren 43 angeordnet, die zur Auskopplung der Welle aus dem Ventilschlauch 19 und zur Erzeugung von elektrischen Signalen in Abhängigkeit von der durch den Ventilschlauch 19 übertragenen Signalantwort ausgebildet sind. Rein exemplarisch sind die elektromechanischen Impulsgeber 41 und die Schwingungssensoren 43 mittels nicht näher dargestellter elektrischer Leitungen mit einer Ansteuereinrichtung 42 verbunden, die zur Bereitstellung von elektrischen Signalen an die Impulsgeber 41 und zur Auswertung der Sensorsignale der Schwingungssensoren 43 ausgebildet ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, anhand einer Laufzeit für eine Welle durch den Ventilschlauch 19 einen Rückschluss auf das Deformationsverhalten des Ventilschlauchs 19 zu ziehen. Aufgrund der Vielzahl von Impulsgebern 41 und Schwingungssensoren 43, die zeitlich synchron oder asynchron betrieben werden können, ist eine Bereitstellung unterschiedlicher Signalmuster an den Ventilschlauch 19 möglich, durch die zumindest nahezu sämtliche Volumenschnitte des Ventilschlauchs 19 mit Hilfe der Sensoreinrichtung 40 untersucht werden können.
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Die Sensoreinrichtungen 30 und 40 können, wie in der 1 dargestellt, an der Ventileinrichtung 1 in Kombination vorgesehen sein. Alternativ ist eine Deformationsermittlung für den Ventilschlauch 19 auch jeweils nur mit einer der beiden in den 1 und 2 dargestellten Sensoreinrichtungen 30, 40 möglich.
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Bei einer Variante der in 1 dargestellten Ventileinrichtung wird lediglich ein Felddetektor, insbesondere ein Mikrofon oder ein Körperschallwandler, eingesetzt. Dieser Felddetektor ermittelt die Schwingungen des Ventilschlauchs, insbesondere bei Veränderungen des Arbeitsdrucks im Arbeitsraum, und erlaubt auf diesem Wege ohne die Verwendung eines Feldgenerators einen Rückschluss auf einen Deformationszustand des Ventilschlauchs oder einen Betriebszustand der Ventileinrichtung.
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Die in der 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Ventileinrichtung 51 unterscheidet sich von der Ventileinrichtung 1 durch die vorgesehene Sensoreinrichtung 60, während der übrige Aufbau der Ventileinrichtung 51 funktionsidentisch mit der Ventileinrichtung 1 ist. Die Sensoreinrichtung 60 ist abweichend von den Sensoreinrichtungen 30 und 40 für eine unmittelbare Positionsermittlung von Teilbereichen des Ventilschlauchs 19 vorgesehen, um hier durch eine besonders exakte Deformationsermittlung für den Ventilschlauch 69 zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist der Ventilschlauch 69 aus einem, vorzugsweise gummielastischem, mit Permanentmagnetpartikeln gefüllten Material hergestellt und bildet somit den Feldgenerator 61. Für eine Erfassung einer abstandsabhängigen magnetischen Flussdichte des Feldgenerators 61 sind an der Innenwand 22 des Ventilgehäuses 7 sowohl längs der Mittelachse 8 als auch zirkular umlaufend um die Mittelachse 8 jeweils in gleicher Teilung rasterartig angeordnete Magnetflusssensoren 63 vorgesehen, die beispielhaft als Hall-Sensoren ausgebildet sein können. Jede der Magnetflusssensoren 63 ist in nicht näher dargestellter Weise elektrisch mit einer Ansteuereinrichtung 62 verbunden, die einerseits für eine Bereitstellung von elektrischer Energie an die Magnetflusssensoren 63 und andererseits für eine Auswertung von Sensorsignalen der Magnetflusssensoren 63 ausgebildet ist. Jeder der Magnetflusssensoren 63 ist dazu eingerichtet, einen abstandsabhängigen magnetischen Fluss ausgehend vom Feldgenerator 61 in Form des mit Permanentmagnetpartikeln gefüllten Ventilschlauchs 19 zu ermitteln und ein zu diesem ermittelten magnetischen Fluss korrespondierendes Sensorsignal an die Ansteuereinrichtung 62 bereitzustellen. In der Ansteuereinrichtung 62 kann beispielsweise ein Vergleich der ermittelten Sensorsignale der Magnetflusssensoren 63 mit einer Wertetabelle oder einem Kennfeld vorgenommen werden, um anhand der Sensorsignale Rückschlüsse auf eine Deformation des Ventilschlauchs 19 ziehen zu können.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform einer Ventileinrichtung ist die Sensoreinrichtung in ähnlicher Weise wie die Sensoreinrichtung 60 ausgebildet, jedoch unterscheiden sich die Felddetektoren von der Magnetflusssensoren 63 dadurch, dass sie als kapazitive Sensoren ausgebildet sind und dass vom Feldgenerator ein elektrisches Wechselfeld in den Arbeitsraum eingekoppelt wird, sodass die Felddetektoren eine von der Deformation des Ventilschlauchs abhängige Kapazität zwischen dem Ventilschlauch und dem jeweiligen Felddetektor ermitteln können und daraus einen Rückschluss auf die Deformation des Ventilschlauchs ermöglichen.
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In einer weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform einer Sensoreinrichtung sind die Felddetektoren in gleicher Weise wie bei der Sensoreinrichtung 60 angeordnet, jedoch als Sensoren für elektromagnetisch Wellen, insbesondere für Infrarotlicht, sichtbares Licht oder Ultraviolettlicht, ausgebildet. Ferner ist vorgesehen, dass ebenfalls an der Innenwand des Ventilgehäuses zusätzlich Beleuchtungsmittel vorgesehen sind, die elektromagnetische Wellen in einem der vorstehend genannten Wellenlängenbereiche aussenden, sodass eine mit den Felddetektoren verbundene Ansteuereinrichtung eine Ermittlung einer Deformation des Ventilschlauchs anhand von Reflektionen des ausgesendeten Lichts am Ventilschlauch vornehmen kann. Ergänzend oder alternativ können die Felddetektoren auch für eine Ermittlung einer Transmission der elektromagnetischen Wellen durch den Ventilschlauch ausgebildet sein.
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Bei der in 4 dargestellten Variante der Sensoreinrichtung 80 ist der rein exemplarisch kreiszylindrisch ausgebildete Schwingungssensor, der als Felddetektor 83 zur Erfassung von Schallsignalen, insbesondere in einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz, dient, die ohne eine zusätzliche Fremdanregung während eines Betriebs der Ventileinrichtung auftreten. Dabei ist der Felddetektor 83 mit einer dem Fluidkanal 2 zugewandten Vorderkante an einer Kante 85 festgelegt, die von einer im Ventilgehäuse 7 ausgebildeten Kammer 86 bestimmt wird. Diese Kammer 86 weist exemplarisch ein kegelabschnittsförmiges Raumvolumen auf, so dass in radialer Richtung außenliegend hinter dem Felddetektor 83 ein Hohlraum gebildet wird. Die Kammer 86 ist über eine Fluidleitung 87, die eine Fluiddrossel 88 aufweist, fluidisch mit dem Arbeitsraum 23 verbunden, so dass ein Druckausgleich zwischen der Kammer 86 und dem Arbeitsraum 23 möglich ist. Dabei wirkt die Fluiddrossel 88 als Tiefpassfilter, um niedrigfrequente Signalanteile zu bedämpfen und somit eine vorteilhafte Erfassung der Deformationseigenschaften des Ventilschlauchs 19 mit Hilfe des Felddetektors 83 zu ermöglichen und eine Beschädigung des Felddetektors durch niedrigfrequente Signalanteile zu vermeiden.
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Ferner ist in der 4 ein zusätzlicher Schwingungssensor 83 vorgesehen, der dem Steuerkanal 24 zugeordnet ist und somit eine Erfassung des Drucks für das Arbeitsfluid an dieser Stelle ermöglicht.
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Bei einer nicht näher dargestellten Variante der Ausführungsform gemäß der 3 ist vorgesehen, die elektromechanischen Impulsgeber unmittelbar an der Membran, also am Ventilschlauch anzubringen und damit eine direkte Einkopplung von mechanischen Wellen in den Ventilschlauch zu ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007002765 B3 [0002, 0009]
