DE102020112846A1

DE102020112846A1 - Ventilsteuerkopf für ein Ventil sowie Ventil

Info

Publication number: DE102020112846A1
Application number: DE102020112846.0A
Authority: DE
Inventors: René BACHMANN
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Ein Ventilsteuerkopf für ein Ventil (10) umfasst eine Positionssensoreinrichtung (36), die eingerichtet ist, zumindest eine Position entlang eines Hubbereichs (H) des Ventils (10) zu erfassen. Die Positionssensoreinrichtung (36) umfasst einen Signalgeber (38) und eine Sensoranordnung (40) mit mehreren Magnetfeldsensoren (42), die dem Hubbereich (H) zugeordnet ist. Die mehreren Magnetfeldsensoren (42) sind entlang des Hubbereichs (H) diskontinuierlich verteilt angeordnet. Zudem ist ein Ventil (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilsteuerkopf für ein Ventil, insbesondere für ein Prozessventil. Ferner betrifft die Erfindung ein Ventil mit einem Ventilsteuerkopf.
Aus dem Stand der Technik sind Ventilsteuerköpfe bekannt, die bei Ventilen, insbesondere Prozessventilen, eingesetzt werden, um unter anderem einen Ventilantrieb des Ventils anzusteuern, über den ein Ventilelement des Ventils verstellt wird. Hierdurch lässt sich das Ventil öffnen, sperren bzw. eine Durchflussmenge je nach Stellung des Ventils entsprechend einstellen. In dem Ventilsteuerkopf ist hierzu die entsprechende Steuerungselektronik für den Ventilantrieb vorgesehen.
Es ist zudem bekannt, dass ein Wegmesssystem bzw. eine Positionssensoreinrichtung in den Ventilsteuerköpfen vorgesehen ist, über die die Stellung des Ventils erfasst werden kann, insbesondere die Stellung einer Komponente des Ventilantriebs. Die Stellung kann dabei mittels einer Auswerteelektronik erfasst werden, die entsprechende Sensorsignale auswertet. Die Auswerteelektronik ist üblicherweise ebenfalls in dem Ventilsteuerkopf untergebracht.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Positionssensoreinrichtungen bzw. Wegmesssysteme umfassen beispielsweise einen diskret ausgebildeten Sensor, der die Stellung der Komponente des Ventilantriebs detektiert, insbesondere induktiv. Die Position des Sensors muss dabei mechanisch auf den jeweiligen Hubbereich des Ventils eingestellt werden.
Auch sind aus dem Stand der Technik kontinuierliche Positionssensoreinrichtungen bzw. Wegmesssysteme bekannt, die beispielsweise eine induktive, magnetfeldbasierte oder potentiometrische Sensorik mit mehreren Sensoren aufweisen. Die kontinuierlichen Positionssensoreinrichtungen bzw. Wegmesssysteme werden typischerweise durch automatische oder manuelle Lern-Funktionen an den Hubbereich des Ventils angepasst und liefern pro Sensor jeweils ein Signal mit derselben Auflösung über den gesamten Messbereich, also den zu detektierenden Hubbereich des Ventils.
Als nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ventilsteuerköpfen, insbesondere den verwendeten Positionssensoreinrichtungen bzw. Wegmesssystemen, hat sich jedoch herausgestellt, dass die Herstellungskosten verhältnismäßig hoch sind, um die gewünschte Auflösung zu erhalten, da zahlreiche Sensoren verwendet werden müssen, um den gesamten Messbereich abzudecken, also den zu detektierenden Hubbereich des Ventils.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen Ventilsteuerkopf für ein Ventil bereitzustellen, mit dem die gewünschte Auflösung der Positionsdetektion erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ventilsteuerkopf für ein Ventil, wobei der Ventilsteuerkopf eine Positionssensoreinrichtung umfasst, die eingerichtet ist, zumindest eine Position entlang eines Hubbereichs des Ventils zu erfassen. Die Positionssensoreinrichtung umfasst einen Signalgeber und eine Sensoranordnung mit mehreren Magnetfeldsensoren, wobei die Sensoranordnung dem Hubbereich zugeordnet ist. Die mehreren Magnetfeldsensoren sind entlang des Hubbereichs diskontinuierlich verteilt angeordnet.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die diskret ausgebildeten Magnetfeldsensoren der Sensoranordnung diskontinuierlich entlang des Hubbereichs des Ventils zu verteilen, sodass die Anzahl der insgesamt verwendeten Magnetfeldsensoren reduziert werden kann. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten für den Ventilsteuerkopf reduzieren. Aufgrund der diskontinuierlich verteilten Magnetfeldsensoren können sich unterschiedliche Abstände zwischen direkt benachbarten Magnetfeldsensoren ergeben. Zumindest ein Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Magnetfeldsensoren ist unterschiedlich zu den Abständen zwischen den anderen Magnetfeldsensoren, wodurch sich insgesamt die diskontinuierliche Verteilung der Magnetfeldsensoren entlang des Hubbereichs ergibt. Es ist demnach nicht vorgesehen, dass die einzelnen Magnetfeldsensoren äquidistant über den gesamten Hubbereich angeordnet sind, um diesen durchgehend mit einer gleichen Auflösung zu überwachen. Vielmehr sind unterschiedliche Auflösungen entlang des Hubbereichs aufgrund der diskontinuierlichen Verteilung der Magnetfeldsensoren vorgesehen, die mit einer unterschiedlichen Dichte an Magnetfeldsensoren über den Hubbereich einhergeht. Die unterschiedlichen Dichten der Magnetfeldsensoren haben die unterschiedlichen Auflösungen der gesamten Sensoranordnung über den Hubbereich des Ventils zur Folge, insbesondere zumindest ein Bereich mit einer höheren Auflösung bzw. größeren Präzision im Vergleich zum Rest.
Der zumindest eine Bereich, der eine höhere Auflösung bzw. bessere Präzision bereitstellt, kann einer vordefinierten Stellung bzw. einem Stellbereich des Ventils zugeordnet sein, die bzw. der von besonderem Interesse ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass diese Stellung des Ventils mit einer entsprechend hohen Genauigkeit erfasst werden kann, wohingegen andere Stellungen des Ventils, die eine geringere Bedeutung haben, mit einer entsprechend geringeren Auflösung durch die Positionssensoreinrichtung überwacht werden.
Beispielsweise lässt sich so die Dichtheit des Ventils mit einer entsprechend höheren Auflösung erfassen, wodurch eine präzisere Ansteuerung bzw. Überwachung des Ventils möglich ist, um die Dichtheit des Ventils sicherzustellen. Mit anderen Worten ist so gewährleistet, dass eine Leckage im Bereich der Ventilöffnung wirkungsvoll verhindert wird, da die exakte Stellung des Ventils im Bereich seiner Schließstellung präziser detektiert und das Ventil somit präziser angesteuert werden kann, insbesondere nachjustiert werden kann, um die Schließstellung zu erreichen.
Bei den Magnetfeldsensoren kann es sich um Hall-Sensoren handeln.
Da die Positionssensoreinrichtung mehrere Sensoren umfasst, handelt es sich um eine kontinuierliche Positionssensoreinrichtung, die mehrere unterschiedliche Positionen des Ventils, insbesondere des Signalgebers, entlang des Hubbereichs erfassen kann. Hierunter fallen insbesondere die Schließstellung und die Offenstellung des Ventils, also die beiden Extremstellungen des Ventils, aber auch etwaige Zwischenstellungen des Ventils, um eine Durchflussmenge eines zu prozessierenden Fluids einzustellen. Mit anderen Worten ist die Positionssensoreinrichtung eingerichtet, den Öffnungsgrad des Ventils zu bestimmen.
Grundsätzlich umfasst der Hubbereich die Schließstellung des Ventils, die Offenstellung des Ventils sowie den Verstellbereich des Ventils, der den Verstellweg zwischen der Schließstellung und der Offenstellung umfasst.
Die mehreren Magnetfeldsensoren können entlang einer Sensorachse angeordnet sein, also in einer Reihe, wobei die Sensorachse insbesondere parallel zu einem Verstellweg des Ventils bzw. zu einer Längsachse des Ventils ist.
Ein Aspekt sieht vor, dass die Sensoranordnung zumindest einen ersten Bereich aufweist, in dem Magnetfeldsensoren mit einer höheren Dichte angeordnet sind als in einem Hauptbereich der Sensoranordnung. Der erste Bereich der Sensoranordnung kann einem Abschnitt des Hubbereichs zugeordnet sein, der hinsichtlich der Positionsüberwachung durch die Positionssensoreinrichtung von besonderem Interesse ist. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Schließstellung des Ventils, die mit einer höheren Auflösung überwacht werden soll. Dies kann gewährleistet werden, da die Magnetfeldsensoren in dem ersten Bereich eine entsprechend höhere Dichte als im Hauptbereich der Sensoranordnung haben, der unter anderem dem Verstellbereich des gesamten Hubbereichs zugeordnet ist, also dem Bereich zwischen der Schließstellung und der Offenstellung.
Insbesondere ist der erste Bereich einem Endabschnitt des Hubbereichs des Ventils zugeordnet und/oder ist der erste Bereich an einem ersten Ende der Sensoranordnung vorgesehen. Der Endabschnitt des Hubbereichs kann der Schließstellung des Ventils entsprechen. Die relative Anordnung des ersten Bereichs der Sensoranordnung in Bezug auf den Ventilsteuerkopf kann davon abhängen, wie die Ansteuerung des Ventils erfolgt.
Unabhängig davon, ob es sich bei dem den Ventilsteuerkopf umfassenden Ventil um ein sogenanntes NC-Ventil oder NO-Ventil handelt, also um ein im Normalzustand geschlossenes Ventil (NC - „normally closed“) oder ein im Normalzustand geöffnetes Ventil (NO - „normally opened“), kann aufgrund der Positionssensoreinrichtung sichergestellt werden, dass eine Stellung des Ventils, die von besonderem Interesse ist, mit einer entsprechend hohen Auflösung überwacht werden kann.
Grundsätzlich kann der erste Bereich der Sensoranordnung, der eine höhere Auflösung aufweist, die stromlose bzw. normale Stellung des Ventils überwachen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die bestromte bzw. angesteuerte Stellung des Ventils, insbesondere die bestromte bzw. angesteuerte Endstellung des Ventils, die zur stromlosen bzw. normalen Stellung entgegengesetzt ist, mit einer höheren Auflösung überwacht werden soll.
Dies lässt sich in einfacher Weise dadurch realisieren, dass der erste Bereich dem ersten Ende der Sensoranordnung zugeordnet ist, wodurch der erste Bereich in einfacher Weise einer Endstellung des Ventils zugeordnet werden kann.
In jedem Fall lässt sich eine Endstellung des Ventils, beispielsweise die Schließstellung, über den ersten Bereich, der die höhere Dichte an Magnetfeldsensoren aufweist, mit entsprechend hoher Auflösung überwachen.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Sensoranordnung zumindest einen zweiten Bereich aufweist, in dem Magnetfeldsensoren mit einer höheren Dichte angeordnet sind als in einem Hauptbereich der Sensoranordnung. Somit kann es zumindest zwei Bereiche geben, in denen die Magnetfeldsensoren eine höhere Dichte als im Hauptbereich der Sensoranordnung aufweisen. Insofern lassen sich zumindest zwei Bereiche mit einer entsprechend höheren Präzision überwachen. Die beiden Bereiche können den jeweiligen Endstellungen des Ventils zugeordnet sein, also der Schließstellung des Ventils und der Offenstellung des Ventils.
Der Hauptbereich der Sensoranordnung kann die geringste Dichte an Magnetfeldsensoren aufweisen. Beispielsweise ist der Hauptbereich dem Verstellbereich des Ventils zugeordnet, in dem lediglich Zwischenstellungen des Ventils vorliegen, über die die Durchflussmenge eingestellt wird.
Insbesondere ist die Dichte der Magnetfeldsensoren im zweiten Bereich geringer als die Dichte der Magnetfeldsensoren im ersten Bereich. Insofern weist die Sensoranordnung mindestens drei Bereiche auf, die jeweils voneinander unterschiedliche Dichten an Magnetfeldsensoren haben. Hierdurch ergeben sich entsprechend unterschiedliche Auflösungen der Positionsdetektion in den jeweiligen Bereichen.
Der erste Bereich der Sensoranordnung kann der Bereich sein, in dem die Auflösung am höchsten ist, wohingegen der zweite Bereich eine geringere Auflösung als der erste Bereich aufweist, jedoch eine höhere Auflösung als der Hauptbereich.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der zweite Bereich einem Endabschnitt des Hubbereichs des Ventils zugeordnet, insbesondere entgegengesetzt zum ersten Bereich. Alternativ oder ergänzend ist der zweite Bereich an einem zweiten Ende der Sensoranordnung vorgesehen, insbesondere entgegengesetzt zum ersten Bereich. Über den ersten und den zweiten Bereich lassen sich somit die beiden Extremstellungen des Ventils mit einer höheren Auflösung als der Rest des Hubbereichs überwachen, wodurch die entsprechenden Endstellungen des Ventils mit einer höheren Auflösung überwacht werden können. Insbesondere wird eine Endstellung des Ventils mit einer höheren Präzision überwacht als eine andere Endstellung des Ventils.
Beispielsweise wird die Endstellung, die der Schließstellung des Ventils entspricht, mit einer höheren Präzision überwacht, um eine Leckage des Ventils besser feststellen zu können. Der erste Bereich der Sensoranordnung ist dann der Schließstellung des Ventils zugeordnet, wohingegen der zweite Bereich der Offenstellung des Ventils zugeordnet ist. Der Hauptbereich der Sensoranordnung ist dann dem Verstellbereich des Ventils zugeordnet.
Die Sensoranordnung stellt somit sicher, dass eine höhere Auflösung für die Ventilposition „ZU“, also die Schließstellung, und eine geringere Auflösung für die Ventilposition „AUF“ vorliegen, also die Offenstellung.
Grundsätzlich ist das erste Ende der Sensoranordnung dem Ventilantrieb zugewandt, wohingegen das zweite Ende der Sensoranordnung vom Ventilantrieb weggewandt ist.
In Abhängigkeit von der Anordnung des Ventilsitzes an der Armatur ergibt sich, dass der erste Bereich dem ersten Ende oder dem zweiten Ende der Sensoranordnung zugeordnet ist. In analoger Weise ist der zweite Bereich dem zweiten Ende oder dem ersten Ende der Sensoranordnung zugeordnet.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Sensoranordnung einen Sensoranordnungsträger hat, der die mehreren Magnetfeldsensoren trägt, wobei die Sensoranordnung separat ausgebildet und über den Sensoranordnungsträger lösbar befestigt ist. Der Sensoranordnungsträger stellt sicher, dass die mehreren Magnetfeldsensoren, insbesondere die unterschiedlichen Bereiche der Sensoranordnung, in einer definierten Lage zueinander vorgesehen sind, sodass die gesamte Sensoranordnung schnell und einfach im Ventilsteuerkopf in gewünschter Weise angeordnet werden kann. Der Sensoranordnungsträger kann Befestigungsmittel aufweisen, über die die Sensoranordnung innerhalb des Ventilsteuerkopfs positioniert und entsprechend befestigt werden kann. Da die Sensoranordnung im Ventilsteuerkopf lösbar befestigt wird, lässt sich die Sensoranordnung innerhalb des Ventilsteuerkopfs an unterschiedlichen Positionen bzw. Orientierungen befestigen.
Beispielsweise ist es möglich, dass die Sensoranordnung um 180° in Bezug auf eine Achse gedreht wird, die quer zur Sensorachse läuft, wodurch die relative Orientierung der Bereiche mit den unterschiedlichen Dichten an Magnetfeldsensoren ebenfalls um 180° gedreht wird.
Der Ventilsteuerkopf kann somit in einfacher Weise für unterschiedlich arbeitende Ventile verwendet werden, dessen Ventilantrieb beispielsweise eine umgekehrte Wirkrichtung hat.
Zudem kann über den Sensoranordnungsträger sichergestellt werden, dass die Magnetfeldsensoren in Bezug auf den Hubbereich axial entlang der Sensorachse verstellt bzw. verschoben werden können, um beispielsweise verschleißbedingte bzw. herstellungsbedingte Toleranzen beim Verstellen des Ventils zu berücksichtigen.
Grundsätzlich liegt demnach ein modularer Aufbau vor, da die Sensoranordnung an einer gewünschten Position in der gewünschten Orientierung innerhalb des Ventilsteuerkopfs befestigt werden kann. Dies stellt sicher, dass der Ventilsteuerkopf für unterschiedliche Ventile verwendet werden kann. Es kann also derselbe Ventilsteuerkopf für unterschiedlich agierende Ventile verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Positionssensoreinrichtung eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit, die zumindest mit der Sensoranordnung signalübertragend verbunden ist, und/oder eine Platine. Die Platine kann die Steuer- und/oder Auswerteeinheit umfassen. Mit anderen Worten kann die Steuer- und/oder Auswerteeinheit auf der Platine ausgebildet sein.
Alternativ oder ergänzend kann die Steuer- und/oder Auswerteeinheit (zumindest teilweise) außerhalb des Ventilsteuerkopfs ausgebildet sein.
Beispielsweise ist die Auswerteeinheit außerhalb des Ventilsteuerkopfs vorgesehen, wohingegen die Steuereinheit im Ventilsteuerkopf aufgenommen ist.
Grundsätzlich kann über die Platine eine Verbindung zu einem Ventilantrieb des Ventils vorgesehen sein, sodass die Steuer- und/oder Auswerteeinheit den Ventilantrieb entsprechend ansteuern kann.
Darüber hinaus kann die Platine vorgesehen sein, um die Sensoranordnung zu halten. Dies bedeutet, dass der Sensoranordnungsträger der Sensoranordnung an der Platine befestigt ist. Hierbei kann eine Signalübertragung zwischen der Sensoranordnung, insbesondere den einzelnen Magnetfeldsensoren, und der Platine stattfinden, sodass die von den Magnetfeldsensoren erfassten Signale über die Platine zur Steuer- und/oder Auswerteeinheit weitergeleitet werden, um die Position des Ventils zu bestimmen. Auch kann eine Ansteuerung der Magnetfeldsensoren über die Platine erfolgen.
Mittels der Steuer- und/oder Auswerteeinheit lässt sich insbesondere eine Anpassung an den Hubbereich des Ventils über automatische oder manuelle Lern-Funktionen durchführen.
Ferner kann der Ventilsteuerkopf ein Ventilsteuerkopfgehäuse aufweisen, das einen Aufnahmeraum teilweise begrenzt, in dem zumindest die Sensoranordnung untergebracht ist, insbesondere die Positionssensoreinrichtung. Die Sensoranordnung bzw. die gesamte Positionssensoreinrichtung ist somit schützend im Ventilsteuerkopf aufgenommen, sodass die Magnetfeldsensoren vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
Der Ventilsteuerkopf kann auf den Ventilantrieb des Ventils aufgesetzt sein, wodurch die Steuer- und/oder Auswerteeinheit separat zum Ventilantrieb ausgebildet ist. Insbesondere ist der Ventilantrieb zwischen der Steuer- und/oder Auswerteeinheit, die im Ventilsteuerkopfgehäuse aufgenommen ist, und einem Fluidbereich des Ventils angeordnet.
Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Ventil mit einem Ventilantrieb und einem Ventilsteuerkopf der zuvor genannten Art. Der Signalgeber der Positionssensoreinrichtung ist mit einem entlang des Hubbereichs bewegbar angeordneten Ventilstößel des Ventilantriebs gekoppelt, der endseitig einem Ventilelement zugeordnet ist. Das Ventilelement wirkt mit einem Ventilsitz des Ventils zusammen, um das Ventil zu schließen bzw. zu öffnen oder eine Durchflussmenge des Ventils einzustellen. Der Signalgeber kann endseitig am Ventilstößel angeordnet oder dem entsprechenden Ende zumindest zugeordnet sein, das zum Ventilelement entgegengesetzt ist. Hieraus ergibt sich, dass die Positionssensoreinrichtung an einem zum Ventilelement entgegengesetzten Ende in Bezug auf den Ventilantrieb vorgesehen ist. Der Ventilsteuerkopf ist einem Ende des Ventilantriebs zugeordnet, das zum Fluidbereich des Ventils entgegengesetzt ist.
Grundsätzlich kann es sich bei dem Ventilsteuerkopf um einen Ventilsteuerkopf für ein NO-Ventil oder ein NC-Ventil sowie unterschiedliche Ventilsitzanordnungen handeln. Dies liegt daran, dass die Positionssensoreinrichtung bei verschiedenen Ventiltypen flexibel eingesetzt werden kann, insbesondere aufgrund des modularen Aufbaus, wie vorstehend erläutert.
Es kann durch Drehen und/oder Verschieben der Sensoranordnung innerhalb des Ventilsteuerkopfes eine Anpassung der Positionssensoreinrichtung an den jeweiligen Ventiltyp des Ventils in einfacher Weise erfolgen, also NO-Ventil oder NC-Ventil bzw. unterschiedliche Ventilsitzanordnungen.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils gemäß einer vierten Ausführungsform, und
- 5 eine schematische Darstellung einer Positionssensoreinrichtung, die bei einem erfindungsgemäßen Ventilsteuerkopf zum Einsatz kommt.

In 1 ist ein Ventil 10 gezeigt, das den Durchfluss eines Fluids durch eine Leitung 12 steuern kann. Bei dem Ventil 10 handelt es sich in der gezeigten Ausführungsform um ein sogenanntes NC-Ventil, also ein im Normalzustand geschlossenes Ventil (NC - „normally closed“).
Das Ventil 10 weist ein Gehäuse 14 auf, in dem ein Ventilantrieb 16 angeordnet ist, weshalb das Gehäuse 14 auch als Antriebsgehäuse bezeichnet werden kann.
Bei dem dargestellten Ventil 10 handelt es sich um ein pneumatisch betätigtes Prozessventil. Alternativ kann auch ein hydraulisch, elektromotorisch oder anderweitig betätigbares Ventil vorgesehen sein. Der Ventilantrieb 16 ist dann entsprechend als ein pneumatischer, hydraulischer bzw. elektromotorischer Ventilantrieb ausgebildet.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ventilantrieb 16 einen Ventilstößel 18, welcher (kreis-)zylindrisch ausgebildet ist. Der Ventilstößel 18 ist innerhalb des Gehäuses 14 verstellbar angeordnet, um unterschiedliche Stellungen des Ventils 10 sicherstellen zu können.
Hierzu ist an einem ersten Ende 20 des Ventilstößels 18 ein Ventilelement 22 vorgesehen, das mit einem Ventilsitz 24 einer Armatur 26 des Ventils 10 zusammenwirkt, um das Ventil 10 zu öffnen, um das Ventil 10 zu schließen bzw. um eine Durchflussmenge des Fluids durch die Leitung 12 einzustellen. Der Ventilsitz 24 ist dabei auf der dem Ventilantrieb 16 zugewandten Seite der Armatur 26 vorgesehen. Der Ventilsitz 24 ist beispielsweise an einem Rohrabschnitt der Leitung 12 vorgesehen.
Grundsätzlich weist das Ventil 10 demnach einen Fluidbereich 27 auf, der unter anderem das Ventilelement 22 und den Ventilsitz 24 umfasst.
Der Ventilstößel 18 erstreckt sich ausgehend von seinem ersten Ende 20 durch das Gehäuse 14 bis in einen Ventilsteuerkopf 28 hinein, der separat zum Ventilantrieb 16, insbesondere dem Gehäuse 14, ausgebildet ist.
Der Ventilsteuerkopf 28 weist ein Ventilsteuerkopfgehäuse 30 auf, das mit dem Gehäuse 14 lösbar gekoppelt ist, um ein gemeinsames Außengehäuse 31 des Ventils 10 auszubilden. Das Ventilsteuerkopfgehäuse 30 begrenzt einen Aufnahmeraum 32 nach außen hin.
Der Ventilstößel 18 ragt demnach mit seinem zweiten Ende 34, welches entgegengesetzt zum ersten Ende 20 ist, in den Aufnahmeraum 32 des Ventilsteuerkopfgehäuses 30 hinein.
Zudem ist in dem Ventilsteuerkopf 28 eine Positionssensoreinrichtung 36 aufgenommen, die eingerichtet ist, die Position des Ventils 10 entlang eines Hubbereichs H des Ventils 10 zu erfassen. Insbesondere wird über die Positionssensoreinrichtung 36 die Stellung bzw. Position des Ventilstößels 18 erfasst, um hierüber auf die Position des am ersten Ende 20 des Ventilstößels 18 angeordneten Ventilelements 22 zu schließen.
Hierzu weist die Positionssensoreinrichtung 36 einen Signalgeber 38 auf, welcher dem zweiten Ende 34 des Ventilstößels 18 zugeordnet ist, sodass sich der Signalgeber 38 innerhalb des Aufnahmeraums 32 bewegt, wenn das Ventil 10 über den Ventilantrieb 16 verstellt wird.
Der Signalgeber 38 kann direkt an dem zweiten Ende 34 des Ventilstößels 18 angeordnet sein, insbesondere dort befestigt sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Signalgeber 38 über ein Koppelglied mit dem zweiten Ende 34 des Ventilstößels 18 gekoppelt ist, also indirekt.
Der Signalgeber 38 wirkt mit einer Sensoranordnung 40 der Positionssensoreinrichtung 36 zusammen, die mehrere Magnetfeldsensoren 42 umfasst, die diskontinuierlich entlang des Hubbereichs H verteilt angeordnet sind, wie aus 1 deutlich wird.
Die mehreren Magnetfeldsensoren 42 sind jeweils diskret ausgebildet, sodass mehrere einzelne Magnetfeldsensoren 42 vorgesehen sind, die zueinander beabstandet sind.
Die Sensoranordnung 40 weist zudem einen Sensoranordnungsträger 44 auf, der beispielsweise in Form einer Schiene ausgebildet ist. Der Sensoranordnungsträger 44 trägt die mehreren Magnetfeldsensoren 42, die diskontinuierlich entlang des Hubbereichs H verteilt angeordnet sind, sodass sich unterschiedliche Bereiche der Sensoranordnung 40 ergeben.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ergibt sich ein erster Bereich 46 der Sensoranordnung 40, in dem die Magnetfeldsensoren 42 mit einer höheren Dichte angeordnet sind als in einem Hauptbereich 48 der Sensoranordnung 40.
Die höhere Dichte der Magnetfeldsensoren 42 bedeutet, dass der Abstand zwischen benachbarten Magnetfeldsensoren 42 im ersten Bereich 46 geringer ist als der Abstand zwischen benachbarten Magnetfeldsensoren 42 im Hauptbereich 48, wie aus 1 deutlich wird.
Aufgrund der höheren Dichte der Magnetfeldsensoren 42 im ersten Bereich 46 ergibt sich eine entsprechend höhere Auflösung der Sensoranordnung 40 im ersten Bereich 46, wodurch die Stellung des Ventils 10 bzw. des Ventilstößels 18 im zugeordneten Abschnitt des Hubbereichs H genauer erfasst werden kann.
Der erste Bereich 46 der Sensoranordnung 40 ist einem ersten (axialen) Ende 50 der Sensoranordnung 40 zugeordnet, welches wiederum der Lage des Ventilstößels 18 in der Schließstellung des Ventils 10 zugeordnet ist.
Insofern ist sichergestellt, dass die Schließstellung des Ventils 10 mit einer höheren Präzision erfasst werden kann im Vergleich zur Offenstellung des Ventils 10, welche dem zweiten (axialen) Ende 52 der Sensoranordnung 40 zugeordnet ist, sowie den verschiedenen Zwischenstellungen. Die Offenstellung des Ventils 10 sowie die verschiedenen Zwischenstellungen sind dem Hauptbereich 48 der Sensoranordnung 40 zugeordnet, der eine geringere Dichte an Magnetfeldsensoren 42 aufweist.
Die Magnetfeldsensoren 42 können in den jeweiligen Bereichen, also dem ersten Bereich 46 sowie dem Hauptbereich 48, jedoch jeweils äquidistant zueinander angeordnet sein, wie dies im Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt ist.
Dies bedeutet, dass die mehreren Magnetfeldsensoren 42, die dem ersten Bereich 46 zugeordnet sind, jeweils den gleichen Abstand zueinander aufweisen, der jedoch geringer ist als der Abstand, den die Magnetfeldsensoren 42 zueinander aufweisen, die dem Hauptbereich 48 zugeordnet sind.
Des Weiteren geht aus 1 hervor, dass die Magnetfeldsensoren 42 jeweils entlang einer Sensorachse S angeordnet sind, weswegen es sich um eine Reihe an Magnetfeldsensoren 42 handelt.
Die Sensorachse S ist parallel zur Längsachse L des Ventils 10, entlang derer der Ventilstößel 18 verstellt wird. Der (kreis-)zylindrisch ausgebildete Ventilstößel 18 weist demnach eine Achse A auf, welche mit der Längsachse L des Ventils 10 zusammenfällt.
Der Signalgeber 38 kann eine Längsachse G aufweisen, die ebenfalls mit der Achse A bzw. der Längsachse L zusammenfällt.
Beispielsweise ist der Signalgeber 38 als eine Spule ausgebildet, sodass es sich bei der Längsachse L um eine Spulenachse handelt. Die Spule kann einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt sein, welches je nach Stellung des Signalgebers 38 entsprechend unterschiedlich moduliert wird, was von der Sensoranordnung 40 erfasst wird, insbesondere den Magnetfeldsensoren 42. Das elektromagnetische Feld kann von den Magnetfeldsensoren 42 erzeugt werden, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Alternativ kann der Signalgeber 38 ein (Permanent-)Magnet sein, dessen Magnetfeld von der Sensoranordnung 40 erfasst wird, insbesondere den Magnetfeldsensoren 42.
Aus 1 wird zudem deutlich, dass die Magnetfeldsensoren 42 um einen Abstand R zur Längsachse L beabstandet sind.
Insofern sind die Magnetfeldsensoren 42 parallel zum Verstellweg, also den unterschiedlichen Positionen, des Signalgebers 38 angeordnet, sodass ein Abstand R der Sensorachse S zur Längsachse G des Signalgebers 38 immer gleich ist.
Bei dem Abstand R kann es sich um einen Radialabstand handeln, sofern das Gehäuse 14 und/oder das Ventilsteuerkopfgehäuse 30 einen (im Wesentlichen) kreisrunden Querschnitt aufweisen.
Darüber hinaus geht aus 1 hervor, dass innerhalb des Ventilsteuerkopfgehäuses 30, also im Ventilsteuerkopf 28, eine Platine 54 vorgesehen ist, an der die Sensoranordnung 40 befestigt ist.
Insbesondere ist die Sensoranordnung 40 über ihren Sensoranordnungsträger 44 an der Platine 54 lösbar befestigt. Die Platine 54 erstreckt sich ebenfalls mit ihrer Längsseite entlang der Längsachse L des Ventils 10, also auch parallel zur Sensorachse S, der Längsachse G des Signalgebers 38 sowie der Längsachse A des Ventilstößels 18.
Hierbei wird gleichzeitig eine Signalverbindung zwischen den Magnetfeldsensoren 42 und einer Steuer- und/oder Auswerteeinheit 56 über die Platine 54 hergestellt, sodass die von den Magnetfeldsensoren 42 ausgehenden Sensorsignale an die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 56 weitergeleitet werden können, um dort entsprechend ausgewertet zu werden.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 56 ist zudem eingerichtet, den Ventilantrieb 16 anzusteuern, sodass das Ventilelement 22 über den Ventilstößel 18 entsprechend verstellt wird, indem der Ventilstößel 18 angesteuert wird.
Das Gehäuse 14, also das Antriebsgehäuse, kann hierzu auf der zum Ventilsteuerkopf 28 gewandten Seite eine Steuersignalschnittstelle umfassen, mit der die Platine 54 oder ein mit der Platine 54 verbundenes Steckbauteil gekoppelt wird, um die Ansteuerung des Ventilantriebs 16 zu gewährleisten.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 56 zumindest einige der Magnetfeldsensoren 42 ansteuert, ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches mit dem Signalgeber 38 wechselwirkt, wobei der Signalgeber 38 das erzeugte elektromagnetische Feld moduliert, was wiederum von den Magnetfeldsensoren 42 erfasst wird.
Je nach Stellung des Signalgebers 38, der mit dem Ventilstößel 18 gekoppelt ist, ergibt sich eine entsprechend unterschiedliche Modulation des elektromagnetischen Felds, was von der Sensoranordnung 40 erfasst wird, sodass auf die Position des Ventilelements 22 geschlossen werden kann.
Grundsätzlich ermöglicht die lösbare Befestigung der Sensoranordnung 40 an der Platine 54, dass die Sensoranordnung 40 entlang der Sensorachse S linear verschoben bzw. verstellt werden kann, sofern dies nötig ist, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Aufgrund des ersten Bereichs 46 der Sensoranordnung 40 ist es in der gezeigten Ausführungsform der 1 insbesondere möglich, dass die Schließstellung des Ventils 10 mit einer höheren Präzision überwacht werden kann, da die Positionssensoreinrichtung 36 eine höhere Dichte an Magnetfeldsensoren 42 in dem entsprechend zugeordneten Bereich aufweist.
Aufgrund dessen kann die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 56 den Ventilantrieb 16 präzise ansteuern, um die gewünschte Schließstellung des Ventils 10 auch zu erreichen. Hierdurch lässt sich eine ungewollte Leckage des Ventils 10 wirkungsvoll verhindern.
In 2 ist ein Ventil 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der Ventilsitz 24 auf der vom Ventilantrieb 16 abgewandten Seite der Armatur 26 vorgesehen.
Hierdurch ergibt sich eine andere Position des Signalgebers 38 in der entsprechenden Schließstellung, die in 2 ebenfalls gezeigt ist, wie aus einem Vergleich der Positionen des Signalgebers 38 in den 1 und 2 verdeutlicht.
Trotzdem ist es möglich, dass die Schließstellung mit einer entsprechend hohen Auflösung überwacht werden kann, da die Sensoranordnung 40 um 180° in Bezug auf eine Querachse Q gedreht ist, die quer zur Längsachse L des Ventils 10 verläuft.
Hierdurch ist sichergestellt, dass der erste Bereich 46, der die höhere Dichte der Magnetfeldsensoren 42 aufweist, der Schließstellung des Ventils 10 zugeordnet ist, sodass die Schließstellung des Ventils 10 mit einer entsprechend größeren Präzision bzw. höheren Auflösung erfasst werden kann.
Insbesondere ist es demnach möglich, dass der gleiche Ventilsteuerkopf 28, insbesondere die gleiche Sensoranordnung 40, verwendet werden kann, unabhängig davon, auf welcher Seite der Armatur 26 der Ventilsitz 24 angeordnet ist. Wie bereits erläutert wird die Sensoranordnung 40 hierzu von der Platine 54 gelöst, um 180° gedreht und wieder mit der Platine 54 befestigt, sodass dennoch die Schließstellung des Ventils 10 mit der höchsten Auflösung überwacht werden kann.
Der erste Bereich 46 ist somit dem zweiten (axialen) Ende 52 der Sensoranordnung 40 zugeordnet.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform des Ventils 10 gezeigt, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 1 entspricht, da der Ventilsitz 24 auf der gleichen Seite der Armatur vorgesehen ist.
Es handelt sich bei dem Ventil 10 jedoch um ein sogenanntes NO-Ventil, also ein im Normalzustand geöffnetes Ventil (NO - „normally opened“). Diese Normalstellung des Ventils 10 ist in 3 auch gezeigt.
Der Ventilsitz 24 ist somit auf der dem Ventilantrieb 16 zugewandten Seite der Armatur 26 angeordnet und im Normalzustand offen.
Die Sensoranordnung 40 ist in analoger Weise zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform angeordnet, sodass die Schließstellung des Ventils 10 mit einer höheren Auflösung überwacht werden kann.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform des Ventils 10 gezeigt, die sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass die Sensoranordnung 40 um einen Einstellweg T entlang der Sensorachse S verstellt worden ist. Dies wird aus einem Vergleich der 1 und 4 deutlich. Der Ventilsitz 24 ist somit auf der dem Ventilantrieb 16 zugewandten Seite der Armatur 26 angeordnet und im Normalzustand geschlossen.
Um die Sensoranordnung 40 um den Einstellweg T zu verstellen, kann der Sensoranordnungsträger 44 von der Platine 54 gelöst und linear entlang der Sensorachse S verstellt und an der gewünschten Position befestigt werden.
Insofern lassen sich herstellungs- bzw. verschleißbedingte Toleranzen des Ventilantriebs 16 entsprechend berücksichtigen.
Auch kann die Sensoranordnung 40 auf eine unterschiedliche Anordnung des Signalgebers 38 eingestellt werden, wie dies vorliegend der Fall ist. Beispielsweise ist der Signalgeber 38 über ein zusätzliches Koppelelement mit dem Ventilstößel 18 gekoppelt, sodass der Signalgeber 38 eine veränderte axiale Position hat.
Diese veränderte axiale Position des Signalgebers 38 kann entsprechend berücksichtigt werden, indem die Sensoranordnung 40 entlang der Sensorachse S entsprechend verstellt wird.
Grundsätzlich lässt sich so die Position des Ventilstößels 18 optimal erfassen, da die Magnetfeldsensoren 42 entlang der Sensorachse S um den Einstellweg T gegenüber der Platine 54 verstellt angeordnet sind.
In 5 ist eine alternative Ausführungsform der Positionssensoreinrichtung 36 gezeigt, die neben dem ersten Bereich 46, dem Hauptbereich 48 einen zweiten Bereich 58 umfasst, der eine gegenüber dem Hauptbereich 48 höhere Dichte an Magnetfeldsensoren 42 aufweist. Die Dichte der Magnetfeldsensoren 42 des zweiten Bereichs 58 ist jedoch geringer als die Dichte der Magnetfeldsensoren 42 des ersten Bereichs 46.
Der zweite Bereich 58 ist dem zweiten (axialen) Ende 52 der Sensoranordnung 40 zugeordnet, das entgegengesetzt zum ersten (axialen) Ende 50 der Sensoranordnung 40 ist.
Insofern lassen sich die beiden Endstellungen des Ventils 10 mit einer höheren Auflösung detektieren als der Verstellweg des Hubbereichs H, der zwischen den beiden Endstellungen liegt.
Die Magnetfeldsensoren 42 am ersten (axialen) Ende 50 der Sensoranordnung 40, also diejenigen im ersten Bereich 46, weisen somit den geringsten Abstand zueinander auf, da der erste Bereich 46 die größte Dichte an Magnetfeldsensoren 42 hat. Am zweiten (axialen) Ende 52 der Sensoranordnung 40, also im zweiten Bereich 58, sind die Magnetfeldsensoren 42 ebenfalls mit einem geringen Abstand zueinander angeordnet. Zwischen beiden Enden 50, 52 weisen die Magnetfeldsensoren 42 im Hauptbereich einen großen Abstand zueinander auf, nämlich zu den angrenzenden Magnetfeldsensoren 42 des ersten Bereichs 46 und des zweiten Bereichs 58.
Darüber hinaus geht aus 4 hervor, dass die Sensoranordnung 40 über den Sensoranordnungsträger 44 um den Einstellweg T entlang der Sensorachse S gegenüber der Platine 54 verschoben ist.
Grundsätzlich ist es aufgrund der diskontinuierlich verteilten Magnetfeldsensoren 42 entlang der Sensorachse S, die parallel zum Verstellweg des Hubbereichs H verläuft, demnach möglich, dass der Ventilsteuerkopf 28 kostengünstig ausgeführt werden kann, da die Anzahl der Magnetfeldsensoren 42 reduziert ist. Hierdurch ergibt sich ebenfalls ein entsprechend kostengünstigeres Ventil 10.
Die gewünschte hohe Auflösung bei der Positionsbestimmung lässt sich dennoch mittels der Positionssensoreinrichtung 36 in den Bereichen von Interesse sicherstellen, da in diesen Bereichen eine entsprechend höhere Dichte an Magnetfeldsensoren 42 vorliegt, was aufgrund der diskontinuierlichen Verteilung der Magnetfeldsensoren 42 möglich ist.

Claims

Ventilsteuerkopf für ein Ventil (10), mit einer Positionssensoreinrichtung (36), die eingerichtet ist, zumindest eine Position entlang eines Hubbereichs (H) des Ventils (10) zu erfassen, wobei die Positionssensoreinrichtung (36) einen Signalgeber (38) und eine Sensoranordnung (40) mit mehreren Magnetfeldsensoren (42) umfasst, die dem Hubbereich (H) zugeordnet ist, und wobei die mehreren Magnetfeldsensoren (42) entlang des Hubbereichs (H) diskontinuierlich verteilt angeordnet sind.
Ventilsteuerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (40) zumindest einen ersten Bereich (46) aufweist, in dem Magnetfeldsensoren (42) mit einer höheren Dichte angeordnet sind als in einem Hauptbereich (48) der Sensoranordnung (40).
Ventilsteuerkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (46) einem Endabschnitt des Hubbereichs (H) des Ventils (10) zugeordnet ist und/oder dass der erste Bereich (46) an einem ersten Ende (50) der Sensoranordnung (40) vorgesehen ist.
Ventilsteuerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (40) zumindest einen zweiten Bereich (58) aufweist, in dem Magnetfeldsensoren (42) mit einer höheren Dichte angeordnet sind als in einem Hauptbereich (48) der Sensoranordnung (40).
Ventilsteuerkopf nach Anspruch 4 sowie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Magnetfeldsensoren (42) im zweiten Bereich (58) geringer ist als die Dichte der Magnetfeldsensoren (42) im ersten Bereich (46).
Ventilsteuerkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (58) einem Endabschnitt des Hubbereichs (H) des Ventils (10) zugeordnet ist, insbesondere entgegengesetzt zum ersten Bereich (46), und/oder dass der zweite Bereich (58) an einem zweiten Ende (52) der Sensoranordnung (40) vorgesehen ist, insbesondere entgegengesetzt zum ersten Bereich (46).
Ventilsteuerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (40) einen Sensoranordnungsträger (44) hat, der die mehreren Magnetfeldsensoren (42) trägt, wobei die Sensoranordnung (40) separat ausgebildet und über den Sensoranordnungsträger (44) lösbar befestigt ist.
Ventilsteuerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssensoreinrichtung (36) eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit (56), die zumindest mit der Sensoranordnung (40) signalübertragend verbunden ist, und/oder eine Platine (54) umfasst.
Ventilsteuerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerkopf (28) ein Ventilsteuerkopfgehäuse (30) aufweist, das einen Aufnahmeraum (32) teilweise begrenzt, in dem zumindest die Sensoranordnung (40) untergebracht ist, insbesondere die Positionssensoreinrichtung (36).
Ventil mit einem Ventilantrieb (16) und einem Ventilsteuerkopf (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Signalgeber (38) der Positionssensoreinrichtung (36) mit einem entlang des Hubbereichs (H) bewegbar angeordneten Ventilstößel (18) des Ventilantriebs (16) gekoppelt ist, der endseitig einem Ventilelement (22) zugeordnet ist.