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Die Erfindung betrifft einen Stellungsgeber für ein (Hub)-Ventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie dessen Verwendung und den zugehörigen Geber.
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Unter einem Ventilstellungsgeber soll hier ein mit einem Positionssensor wechselwirkender Geber verstanden werden, der die Stellung eines von einem Aktor getriebenen Ventils anhand der Position der Ventilwelle oder eines gleich wirkenden mechanischen Bauteils erfasst, die Messwerte speichert und/oder über eine (Bus-)Schnittstelle an eine übergeordnete Steuereinheit überträgt, wobei ein Winkel oder eine lineare Position erfasst wird.
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Aus der
DE 101 24 483 A1 ist ein auch zur Messung von Ventilstellungen geeignetes Wegmeßsystem bekannt, das einen weichmagnetischen Geber und eine flexibel ausgebildetes induktives Sensor-element in Form einer gedruckten Spule aufweist, die aufgrund ihrer vorzugsweise dreieckigen Form ein zur Position des Gebers proportionales Ausgangssignal erzeugt.
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Als nachteilig wird angesehen, dass der nutzbare Messbereich auf die geometrische Ausdehnung des Sensorelements begrenzt ist. Außerdem muss der Schaltpunkt eingestellt oder eingelernt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und eine kostengünstige und leicht zu montierend Anordnung anzugeben, die einen von der Größe der beteiligten Sensorelementen unabhängigen Messbereich (Verfahrweg) erlaubt, und außerdem nicht abgeglichen werden muss.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der abhängige Anspruch betrifft eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Die nebengeordneten Ansprüche betreffen die Verwendung bzw. den eigentlichen Stellungsgeber (Puck).
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den weichmagnetischen Geber durch ein oder mehrere RFID-Etiketten (Tags), und den (Positions-)Sensor durch ein RFID-Schreib-Lesegerät zu ersetzen, wobei RFID für „Radio Frequency Identification“steht.
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Die an den zu erkennenden Positionen angebrachten RFID-Etiketten werden vom Schreib-Lesegerät erkannt, ohne das ein Abgleich notwendig ist. Durch Codierung der Etiketten können verschiedene Ventilstellungen ohne weiteres unterschieden werden.
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So kann das großflächige und vergleichsweise schwierig zu montierende Sensorelement durch eine Anzahl kleine und äußerst kostengünstige RFID-Etiketten ersetzt werden, die darüber hinaus auch leicht auf gekrümmten Konturen montiert werden können.
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Ein Abgleich oder ein Einlernen ist hier nicht notwendig, da das Schreib-Lesegerät bei Kontakt mit einem bestimmten RFID-Etikett ein binäres oder digitales Ausganssignal erzeugt, so dass die verschiedenen Ventilstellungen ohne weiteres erkannt und codiert ausgegeben werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt eine Feinpositionierung auf der Grundlage des Amplitudensignals, anhand des RSSI(receive signal strength indicator)-Signals, dessen Wert umso größer ist, je näher das RFID-Etikett (RFID-Tag) der Mitte der Antenne des Lesegerätes ist.
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Für einen Etikettendurchmesser von 4mm wurde auch eine Auflösung von etwa 4mm erreicht.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt den vereinfacht dargestellten erfindungsgemäßen Ventilstellungsgeber in der Draufsicht,
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Ventilstellungsgeber etwas detaillierter als Blockschaltbild,
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die Figuren 3 bis 5 zeigen den Ventilstellungsgeber für drei Ventilstellungen in der Seitenansicht,
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6 zeigt die vom RSSI-Indikator des Schreib-Lesegeräts 8 erzeugten Amplitudensignals eines RFID-Etiketts für unterschiedliche Ventilstellungen.
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Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung. Ein mit der Welle eines hier nicht dargestellten Ventils verbundener Geber 1 ist mit drei unterschiedlich codierten RFID-Etiketten 7 bestückt. Gegenüber befindet sich ein Positionssensor 2, der erfindungsgemäß als RFID-Schreib-Lesegerät 8 ausgeführt ist, oder zumindest ein solches enthält.
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Der Positionssensor 2 erkennt das am nächsten liegende RFID-Etikett 7 anhand der Signalamplitude, die vom RSSI (receive signal strength indicator) des RFID-Lesegerätes 8 ermittelt wird (siehe 6).
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Wenn wie gezeigt, mehrere RFID-Etiketten 7 vorhanden sind, können dort gespeicherte Informationen, beispielsweise nähere Angaben zum Ventil oder zur Ventilstellung, ausgelesen und an eine nicht dargestellte übergeordnete Steuereinheit gemeldet werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, unerlaubte Ventilstellungen zu erkennen und als Fehlermeldung auszugeben oder anzuzeigen. Natürlich kann auch nur mit einem RFID-Etikett 7 gearbeitet werden, wobei nur der Zustand „offen“ oder der Zustand „geschlossen“ erkannt wird, wohingegen mit mehreren Etiketten Zwischenstellungen erkannt, und unter Zuhilfenahme des oben erwähnten RSSI-Indikators durch Interpolation eine quasi analoge Erfassung der Stellbewegung durchgeführt werden.
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Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Ventilstellungsgeber als Blockschaltbild, wobei die Funktionsweise eines RFID-Systems als dem Fachmann bekannt vorausgesetzt wird.
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Das RFID-Etikett 7 des Gebers 1 befindet sich auf der schematisch dargestellten Welle eines Ventils 9, an dem ein nicht näher zu bezeichnendes Medium ansteht.
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Der Positionssensor 2 weist eine Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 3 auf, die neben einem RFID-Lesegerät 8 mit einem Sender Tx und einem Empfänger Rx, einem schwingquarzgesteuerten Hochfrequenzgenerator und einen Amplitudendiskriminator enthält, und mit einem EPROM 4 verbunden ist, der neben Messwerten auch Programme speichern und optional Bestandteil eines nicht dargestellten Mikrocontrollers sein kann.
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Es sei angemerkt, dass die Signalverarbeitungseinheit 3 und das RFID-Scheib-Lesegerät 8 nicht wie dargestellt, in derselben integrierten Schaltung untergebracht sein müssen, sondern auch separat ausgeführt sein können, die Signalverarbeitungseinheit beispielsweise als Mikrocontroller und das Schreib-Lesegerät als handelsübliche integrierte Schaltung PRH601 der Firma NXP.
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Weiterhin ist ein Schaltausgang 5 dargestellt, der vorteilhaft mit einem IO-Link Slave verbunden ist, und so zur Kommunikation mit einer als IO-Link Master ausgeführten, hier nicht dargestellten übergeordneten Steuereinheit, beispielsweise einem Host.-Rechner, geeignet ist.
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Das RFID-Lesegerät 8 ist über eine als Schwingkreis dargestellte Antenne elektromagnetisch mit dem RFID-Etikett 7 gekoppelt, wobei die Modulation und die Kommunikation auf bekannte Weise erfolgen, so dass die Geberposition anhand eines identifizierten RFID-Etikettes 7 erkannt wird.
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Dass mit mehreren Etiketten 7 unterschiedlich Ventilstellungen erkannt werden können, wurde bereits erwähnt. Der zur Feinpositionierung auf der Grundlage des Amplitudensignals vom jeweiligen RFID-Etikett 7 benötigte RSSI-Indikator ist hier nicht explizit dargestellt. Diese Funktion kann aber auch von einem Mikrocontroller mit einem Analog-Digital-Wandler übernommen werden.
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Abschließend wird noch darauf hingewiesen, dass nahezu alle hier als Hardware dargestellten Baugruppen durch Software ersetzt werden können, ohne den Erfindungsgedanken zu verlasen.
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Die 3 bis 5 zeigen einen erfindungsgemäßen Ventilstellungsgeber für drei Ventilstellungen „Ventil offen“, „Ventil in Mittelstellung“ und „Ventil geschlossen“ in Seitenansicht.
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Die Darstellung ist grob vereinfacht. Man erkennt, jeweils einen mit der Welle des Ventils 9 gekoppelten und erfindungsgemäß mit einem RFID-Etikett 7 versehenen Geber 1 (Puck), sowie einen Positionssensor 2 mit einem RFID-Schreib-Lesegerät 8, das in jeder Ventilstellung einem andere RFID-Etikett 7 gegenübersteht, und natürlich am stärksten elektromagnetisch mit diesem gekoppelt ist.
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Die 6 zeigt vom RSSI-Indikator des Schreib-Lesegeräts 8 erzeugte Amplitudensignale eines RFID-Etiketts 7 für unterschiedliche Ventilstellungen.
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Wenn der Schreib-Lesegerät 8 einem hier nicht dargestellten Etikett 7 direkt gegenübersteht, wird das größte, hier mit RSSI 6 bezeichnete Amplitudensignal gemessen. Wie man leicht einsieht, wird dieses Signal mit größer werdenden Winkel zwischen Etikett 7 und Schreib-Lesegerät 8 immer kleiner, was an den mit RSSI 4 und RSSI1 bezeichneten Signalen erkennbar ist., wobei die Abszisse des Diagramms einen Winkel und die Ordinate die Amplitude in relativen Einheiten anzeigt.
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Die Erfindung beinhaltet nicht nur den beschriebenen Stellungsgeber mit dem erfindungsgemäßen Geber 1 (Puck) und dem Positionssensor 2, sondern auch deren Verwendung zur Bestimmung einer Ventilstellung, sowie den dafür geeigneten Geber 1 (Puck) mit mindestens einem RFID-Etikett 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Geber (Puck) für einen Positionssensor 2
- 2
- Positionssensor
- 3
- Signalverarbeitungseinheit mit einem RFID-Lesegerät
- 4
- EPROM (Datenspeicher)
- 5
- Schaltausgang
- 6
- Schnittstelle, z. B. IO-Link Slave oder BUS-Schnittstelle
- 7
- RFID-Etikett
- 8
- RFID-Lesegerät
- 9
- Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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