-
Anwendungsgebiet der Erfindung:
-
Die Erfindung soll zur Anwendung kommen in Verbindung mit der Nutzung pneumatisch betriebener Anlagen.
-
Stand der Technik:
-
-
Die aufgezeigten Lösungen zeichnen sich durch einen hohen technischen Aufwand aus. Die in
EP 2 642 268 A2 und
DE 10 2012 010 055 dargestellte Lösung erfordert einen relativ hohen Druckabfall über dem Sensor, um eine Strömung zu selektieren. Die Folge ist, dass der Sensor vorzugsweise nur in Abluftleitungen (Druckabfall zur Atmosphäre) eingesetzt werden kann. Des Weiteren beeinflusst der hohe Druckabfall die Arbeitsweise der im System angeordnete Aktorik und geringe Strömungen können nicht sicher erkannt werden.
-
In
DE 203 19 447 U1 ist eine Dichtheitsprüfeinrichtung beschrieben, die einen Strömungswächer beinhaltet. Über die Funktionsweise des Wächters wird keine genauere Ausführung vorgenommen.
-
In
DE 20 2007 016 790 U1 ist eine Strömungsüberwachngseinrichtung beschrieben. Diese zeichnet sich durch einen transparenten Abschnitt aus, durch den die Strömung beobachtet werden kann. Die visuelle Betrachtung wird durch eine indirekte Beleuchtung erleichtert. Die Einrichtung kann auch als Mischblock ausgebildet sein. Negativ bei der Erfindung ist, dass keine Sensorik zur automatischen Bewertung der Strömungsverhältnisse vorgesehen ist. Ein derartiges System, das mit Hilfe einer optischen Erkennung arbeitet, zeichnet sich durch eine hohe Störanfälligkeit aus. Diese Tatsache beruht darauf, dass in Druckluft immer mit Verunreinigungen in Form von Feststoffpartikeln oder Kondensaten zu rechnen ist. wodurch die Optik verschmutzt und im Extremfall versagt.
-
In
EP 1 491 867 B1 ist eine Dosiereinrichtung zur Mischung von Flüssigkeiten und Gasen beschrieben. Dabei kommt ein Sensormittel zu Kontrolle der zu mischenden Komponenten zum Einsatz. Wie dieses Sensormittel aufgebaut ist, wird nicht näher ausgeführt.
-
Die
DE 10 2006 006 018 A1 betrifft einen Strömungssensor für strömende Medien, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse zumindest teilweise angeordneten Sensorelement und mit einem in das strömende Medium hineinragenden Hubkörper, wobei der Hubkörper beweglich im Gehäuse geführt ist und in Abhängigkeit von der Strömung des zu überwachenden Mediums gegen die Federkraft eines zwischen dem Gehäuse und dem Hubkörper angeordneten Federelements bewegbar ist und wobei das Sensorelement ein von der Position des Hubkörpers abhängiges Signal erzeugt.
-
Zu lösende Problemstellung:
-
Aus energieökonomischen Gründen wird angestrebt, dass die einer Anlage zugeführte Druckluft auch zu annähernd 100% zur Anwendung kommt und nicht durch Leckagen ungenutzt entweicht. Da ohne sensorielle Erkennung derartige Leckageströme nicht oder nur bei großen Volumenströmen erkennbar ist, ist der Einsatz von Durchflusswächtern erforderlich. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, dass an der Einspeisestelle der Druckluft, vorzugsweise nach der Druckluftaufbereitungseinheit, ein Strömugswächter angeordnet ist. Ist die zu betreibende Anlage betriebsbereit, die Anlage steht unter Betriebsdruck, arbeitet aber noch nicht, darf sie keinen Druckluftverbrauch aufweisen. Sollte das doch der Fall sein, so ist dies ein Zeichen dafür, dass sich in der Anlage eine Stelle befindet, die unkontrolliert Druckluft an die Atmosphäre abgibt. Die Ursache dafür können Defekte im Leitungssystem aber auch in der Aktorik oder in Steuerkomponenten sein. Ziel der Erfindung ist es nicht, diese Stellen zu lokalisieren, sondern zu signalisieren, dass eine Leckage vorliegt. In diesem Zusammenhang ist anzustreben, dass auch kleine Volumenströme erkannt werden und über dem Strömungswächter ein geringer Druckabfall auftritt. Für den beschriebenen Einsatzfall muss der Strömungswächter nur in einer Richtung durchströmt werden und ist in der Einspeiseleitung der Druckluft zu installieren. Sollte der Wächter auch zur Selektion defekter Elemente (Arbeitszylinder) zur Anwendung kommen, so muss er in beiden Richtungen durchströmbar sein.
-
Erfindungsgemäße Lösung:
-
Der Erfindung liegt das physikalische Grundgesetz zu Grunde, dass ein Fluid fließt, wenn ein Druckgefälle vorhanden ist. Zu diesem Zweck ist ein Strömungsquerschnitt durch ein Ventil (Schieber.- oder Sitzausführung) verschlossen. Die Schließkraft kann dabei über eine Feder, ein Fluid oder auch über die Schwerkraft erfolgen. Stellt sich über dem Ventilelement (Ventilschieber, Ventilstößel) ein Druckgefälle ein, so erfolgt eine Verschiebung des Elements. Durch eine geeignete geometrische Gestaltung des umschließenden Gehäuses kommt es zur Verbindung der Kammern, die mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt sind, wodurch ein Volumenstrom statt finden kann. Das heißt, die Verschiebung des Ventilelements ist die Voraussetzung für das Entstehen eines Volumenstromes. Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass in axialer Verschiebungsrichtung ein Abstandssensor angeordnet ist. Da die Aufgabe der Erfindung vorrangig darin besteht, das Vorhandensein einer Strömung zu erkennen, ist es ausreichend, wenn der Sensor ein duales Signal erzeugt. Ist es erforderlich, auch quantitative Aussagen über die Strömung zu ermitteln, kann ein Sensor mit analogem Ausgang eingesetzt werden. Entscheidend bei der Erfindung ist, dass auch kleine Wege erkannt werden, dass der Sensor einen robusten Aufbau besitzt, kostengünstig herstellbar ist und ein geringes Druckgefälle zur Wegänderung des Ventilelements erforderlich ist. Dies wird dadurch gelöst, dass als Absperrventil ein Rückschlagventil in Sitzbauweisen zum Einsatz kommt. Das gute Ansprechverhalten kann dadurch erreicht werden, dass der Sensor sich in der Schiebeachse des Ventilstößels befindet und der Stößel sich bei der Bewegung vom Sensor wegbewegt, wie in 1 dargestellt. Dadurch kann auf zusätzliche Schiebe.- oder Drehgelenke verzichtet werden und große Öffnungsquerschnitte sind realisierbar. Im Ausführungsbeispiel (1) kommt ein federbelastetes Rückschlagventil in Kegelsitzbauweise in Verbindung mit einem induktiven Initiator zu Anwendung. Mit dem Prototypen konnten Strömungen im Bereich von 1 Nl/min selektiert werden. Diese Menge ist völlig ausreichend für den angestrebten Einsatzfall. Das System lässt sich leicht kalibrieren, das heißt, dass der Schaltpunkt an einen bestimmten Volumenstrom angepasst werden kann. Soll der Strömungswächter in beiden Richtungen betrieben werden, bestehen folgende Möglichkeiten:
- • Anordnung eines Umgehungsrückschlagventils (2).
Parallele Anordnung von zwei erfindungsgemäßen Strömungswächtern in unterschiedlicher Durchströmungsrichtung.
- • Anordnung einer Druckwaage in der Art und Weise, dass die Schließbewegung des Rückschlagventils immer mit dem geringen Druck beaufschlagt wird, der an den Anschlüssen des Strömungswächters anliegt (3).
-
Der Vorteil der Erfindung liegt in seinem einfachen und robusten Aufbau. Es können sowohl qualitative als auch quantitative Aussagen über vorhandene Strömungen selektiert werden. Welche Messwerte ermittelt werden sollen, wird durch die Auswahl des Sensors bestimmt. Bei binär arbeitenden Sensoren ist ein qualitatives Ergebnis möglich. Sind qualitative Aussagen erforderlich, sind analog arbeitende Sensoren einzusetzen. Der mechanische Aufbau des Strömungswächters ist bei beiden Varianten identisch. Durch den bevorzugten Einsatz von Ventilelementen in Sitzbauweise können große Strömungsquerschnitte bei kompakter Bauweise realisiert werden und somit sind die vorgeschlagenen Strömungswächter auch für große Volumenströme geeignet. Durch diese Bauweise ist gesichert, dass keine innere Leckage vorhanden ist und somit auch kleine Volumenströme ermittelbar sind und eine hohe Wiederholgenauigkeit gesichert ist. Da die Ventilelemente druckkompensiert betrieben werden, sind sie sowohl für pneumatische als auch für hydraulische Anwendungen geeignet. Durch diese Vorteile wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Wächter vorrangig zur Erkennung von Leckagen komplexer Anlagen gesehen. Für diesen Fall ist die Anordnung der Erfindung in der Speiseleitung vorzusehen, also unmittelbar nach der Druckluftaufbereitungseinheit bei pneumatisch bzw. nach der Pumpe in hydraulisch betriebenen Anlagen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie modular aufgebaut ist. Das heißt, sie kann mit oder auch ohne Umgehungsrückschlagventil oder mit oder ohne Druckwaage konfiguriert werden. Somit ist eine Variantenvielfalt gegeben, wodurch eine große Einsatzbreite abgedeckt werden kann.
-
Ausführungsbeispiel
-
In einem Gehäuse (1) ist eine abgesetzte Durchgangsbohrung (4) angeordnet. Das eine Ende dieser Durchgangsbohrung (4) nimmt den Sensor (7) auf und das andere Ende bildet mit dem Abschlussdeckel (9) und dem Ventilelement (6) die Steuerkammer (5). Neben dem in der Durchgangsbohrung (4) ausgebildeten Ventilsitz (10) sind die Anschlussbohrungen (2) und (3) ausgebildet. Die Rotationsachsen der Anschlussbohrungen (2) und (3) stehen vorzugsweise senkrecht zur Rotationsachse der Durchgangsbohrung (4). In der Durchgangsbohrung (4) ist das Ventilelement (6) angeordnet und dichtet über den Ventilsitz (9) die Verbindung zwischen den Anschlussbohrungen (2) und (3) ab. Durch die Feder (11) wird das Ventilelement (6) in den Ventilsitz (10) gerückt und dichtet, im Zustand von Druckgleichheit an den Anschlussbohrungen (2) und (3), die Verbindung zwischen diesen ab. Nimmt der Druck an der Anschlussbohrung (2) in Folge eines Luftverbrauchs ab, so wird das Kräftegleichgewicht am Ventilelement (6) gestört und es kommt zur Verschiebung des Ventilelements (6). Die Verschiebung ist beendet, wenn die Summe der wirkenden Kräfte (Druckkräfte und Federkraft) sich zu Null ergibt. In diesem Zustand ist der Ventilsitz (10) geöffnet und es kann Fluid von der Anschlussbohrung (3) zur Anschlussbohrung (2) fließen. Durch die Verschiebung des Ventilelements (6) kommt es zur Abstandserhöhung zwischen Sensorfahne (8) und Sensor (7). Diese Veränderung erzeugt ein Signal, welches anzeigt, dass zwischen Anschlussbohrung (2) und (3) ein Volumenstrom vorhanden ist. Von einer Leckage kann dann ausgegangen werden, wenn theoretisch kein Fluidverbrauch auftreten dürfte aber der Wächter einen Volumenstrom signalisiert. Der Wächter arbeitet nur in einer Stromrichtung, nämlich wenn eine Strömungsrichtung von Anschlussbohrung (3) nach Anschlussbohrung (2) vorliegt. Diese Einschränkung wird behoben in einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches mit einer zusätzlichen Druckwaage arbeitet.
-
Um eine bidirektionale Arbeitsweise des Strömungswächters, wobei in beiden Strömungsrichtungen auch ein Signal generiert werden soll, ist zu gewährleistet, dass in der Steuerkammer (5) immer der niedrigere Druck, der an den Anschlussbohrungen (2) und (3) anliegenden, herrscht. Um dies zu garantieren, kommt eine Druckwaage zur Anwendung. Diese ist vorzugsweise im
-
Abschlussdeckel (9) angeordnet. In diesem befindet sich eine Durchgangsbohrung (17) welche den Ventilschieber (12) mit Dichtungen (13, 14) aufnimmt und durch die Verschlussschrauben (18) und (19) verschlossen ist. Der Ventilschieber (12) ist über die Feder (15) und (16) zentriert, befindet sich also in seiner Mittelstellung. In dieser Stellung werden die Kammern (24, 25, 26) über die Verbindungskanäle (20, 21) und die Verbindungsbohrungen (22, 23) mit den Anschlussbohrungen (2, 3) verbunden. Die Kammer (25) ist über die Bohrung (27) mit der Steuerkammer (5) verbunden. Herrscht in den Anschlussbohrungen (2, 3) gleicher Druck (der Volumenstrom ist null), befindet sich der Ventilschieber (12) in der Mittelstellung und somit wird die Steuerkammer (5) über die Bohrung (27) mit dem selben Druck beaufschlagt. Somit verschließt das Ventilelement (6) den Ventilsitz (10). Fällt der Druck an einer der beiden Anschlussbohrungen (2, 3) ab, so sinkt dieser auch in der Kammer (24) oder (26). Daraus resultiert, dass der Ventilschieber (12) verschoben wird und dadurch entweder die Verbindung zwischen dem Verbindungskanal (21) und der Kammer (25) bzw. dem Verbindungskanal (20) und der Kammer (25) unterbrochen wird. Somit ist die Kammer (25) immer mit dem niedrigeren Druck, der am Strömungswächter anliegt, beaufschlagt. Dadurch ist sicher gestellt, dass auch die Steuerkammer (5) über die Bohrung (27) auf gleichem Druckniveau liegt. Somit arbeitet der Strömungswächter auf gleiche Art und Weise, wie bereits im Ausführungsbeispiel 1 dargestellt, jedoch mit dem Vorteil, dass eine Unabhängigkeit der Durchströmungsrichtung gegeben ist und dass in beiden Richtungen ein Signal generiert wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gehäuse
- 2,3
- Anschlussbohrung
- 4
- Durchgangsbohrung
- 5
- Steuerkammer
- 6
- Ventilelement
- 7
- Sensor
- 8
- Sensorfahne
- 9
- Abschlussdeckel
- 10
- Ventilsitz
- 11
- Feder
- 12
- Ventilschieber
- 13,14
- Dichtung
- 15,16
- Feder
- 17
- Durchgangsbohrung
- 18,19
- Verschlussschraube
- 20,21
- Verbindungskanal
- 22,23
- Verbindungsbohrung
- 24,25,26
- Kammer
- 27
- Bohrung
- 28
- Feder
- 29
- Ventilelement
- 30
- Dichtung
