DE10202108A1

DE10202108A1 - Proportionalventil und Verfahren zur Messung der Position des Drosselkörpers in einem Ventil

Info

Publication number: DE10202108A1
Application number: DE2002102108
Authority: DE
Inventors: Christian Ellwein
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-08-14
Also published as: GB0301234D0; GB2386670B; FR2835050A1; GB2386670A

Abstract

Es wird ein Messverfahren für die Position des Drosselelements in Ventilen, insbesondere in sogenannten Proportional- oder Stetigventilen, beschrieben, dass die momentane Position indirekt aus der Kraft der Rückstellfeder im Ventil ermittelt. Durch dieses Messprinzip wird die Baugröße des Ventils nicht beeinflusst und gleichzeitig steht ein kontinuierliches Messsignal zur Verfügung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Proportionalventile und ein Messverfahren für Ventile zur Ermittlung der aktuellen Position des Drosselkörpers (Anker, Klappe, Wippe, Kegel oder ähnliches [1]), welcher den zu beeinflussenden Volumenstrom drosselt. Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit der Positionsbestimmung des Ankers in Stetig- oder Proportionalventilen mit Magnetantrieb.

Beschreibung des Standes der Technik

Proportionalventile sind dadurch gekennzeichnet, dass sie nicht nur in zwei diskreten Zuständen (geöffnet oder geschlossen) betrieben werken können, sondern dass die Öffnung des Ventils stufenlos eingestellt werden kann. Dies wird zum Beispiel realisiert, indem durch geeignete Beeinflussung der Magnetfeldlinien und des Reibungsverhaltens im Ventil der Anker bei einem Hubankerventil eine Position annähernd proportional zum Strom durch die Magnetspule einnimmt. Der Stand der Technik bei der Realisierung von Proportionalventilen ist zum Beispiel in [2, 3, und 4] beschrieben. Das am weitest verbreitete Prinzip für diese Proportionalventile besteht darin, dass eine stufenlos steuerbare Kraft (zum Beispiel erzeugt durch einen Magneten) auf den beweglichen Drosselkörper wirkt und ihn gegen eine Feder bewegt. Eine bestimmte Position des Drosselkörpers ergibt sich für ein Kräftegleichgewicht von Federkraft und Magnetkraft. Die Magnetkraft wird üblicherweise verändert, indem die Versorgungsspannung des Magneten pulsweiten moduliert wird über eine Variation des Tast-Pausen-Verhältnisses.

Auf den Drosselkörper wirken nicht nur Magnet- und Federkraft ein, sondern auch noch Reibungskräfte, Strömungskräfte und andere. Diese zusätzlichen Kräfte sind von stochastischer Natur und in praktischen Anwendungen nicht vorhersagbar. Deswegen besteht ein erhebliches Interesse daran, die aktuelle Position des Drosselkörpers zu messen um diese Größe regeln zu können.

Um diese Position zu erfassen sind verschiedene Verfahren bekannt: In [3] wird ein Linear Variable Differential Transformer (LVDT) nach dem Differential- Transformatorprinzip als Wegaufnehmer vorgestellt. In [5] wird allgemein von einem induktiven Messsystem zur Messung der Position und Lageregelung gesprochen wobei Bild 2.4 in dieser Schrift auf ein ähnliches Prinzip wie den oben genannten LVDT schließen lasst. Für Schaltventile, die nur zwischen zwei diskreten Positionen wechseln, sind Verfahren zur Positionsbestimmung bekannt, die den Verlauf des Spulenstroms analysieren. Beispielhaft sei hier auf die Patentschriften DE 198 34 405 A1 und DE 198 50 687 A1 verwiesen. In DE 199 60 796 A1 wird eine Steuerung für Gaswechselventile in einem Verbrennungsmotor beschrieben die auf einer PWM-Ansteuerung des Ventils und einer Messung der Kernposition basiert. Allerdings wird keine Aussage über die Realisierung der Positionsmessung gemacht. Insofern betrifft diese Erfindung nur die übergeordnete Steuerung zum langsamen Aufsetzen des Kerns und nicht die Positionsmessung selber. Die Patentschrift DE 199 13 050 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein mit dem bewegten Drosselkörper in Verbindung stehender Tauchkörper durch mindestens eine Tauchspule geführt wird. Die infolge der Bewegung induzierte Spannung wird zur Bestimmung von Position und/oder Geschwindigkeit des Drosselkörpers im Ventil genutzt. In DE 199 09 109 A1 wird ein Verfahren zur Positionsbestimmung beschrieben, bei dem das magnetische Streufeld gemessen wird welches durch die Bewegung des Ankers verändert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren zur Messung der Position des Drosselkörpers in einem Proportional- oder Stetigventil zu beschreiben. Dieses neuartige Messprinzip besteht darin, dass die Kraft der Rückstellfeder im Ventil, gegen die der Magnet arbeitet, gemessen wird. Die Kraft einer geraden zylindrischen Schraubenfeder, wie sie vorzugsweise in Magnetventilen eingesetzt wird, ist linear zur Deformation der Feder und wird durch die Formel

F = -cx (1)

bestimmt. Dabei ist c die sogenannte Federrate und x der Federweg. Bei einem elektromagnetisch angetriebenen Proportionalventil wird die Öffnung des Ventils durch die veränderbare Magnetkraft eingestellt. Auf den beweglichen Drosselkörper im Ventil wirken unterem anderem die Federkraft, die in den meisten Konstruktionsprinzipien das Ventil schließt und die Magnetkraft, die das Ventil entgegen der Feder öffnet. Andere Kräfte wie Reibungskräfte oder Strömungskräfte wirken auch auf den Drosselkörper und beeinflussen dessen Position mit. Diese zusätzlichen Störkräfte sind unerwünscht, können aber nicht ganz vermieden werden. Sie sind dafür verantwortlich, dass der Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und damit der Magnetkraft einerseits und der resultierenden Position des Drosselkörpers nicht monoton ist, sondern Sprungstellen aufweisen kann. Ebenso kann durch diese Störkräfte die Steigung und der Offset der Strom-Position-Kennlinie (bzw. deren (lokalen) Linearisierungen) verschoben und beeinflusst werden. Es ist also wünschenswert, die reale Position des Drosselkörpers zu erfassen und gegebenenfalls zu regeln.

Das neuartige Messverfahren für die Position des Drosselkörpers bezieht sich darauf, dass die Position indirekt über eine Messung der Federkraft ermittelt wird. Die Feder ist in einem Ventil zwischen dem beweglichen Drosselkörper und einem festen Auflagepunkt, der mit dem Ventilgehäuse verbunden ist, angeordnet. Zur Ermittlung der Federkraft wird als Position für den Kraftsensor der feste Auflagepunkt der Feder oder ein geeignet damit verbundener Ort vorgeschlagen.

Bei Proportionalventilen ist dieser feste Auflagepunkt der Feder meistens als Schraube ausgeführt mit der die Vorspannung der Feder verändert werden kann. Diese sogenannte Justierschraube dient dazu, Toleranzen der Feder, die durch Streuungen in der Länge der Feder, ihrem Drahtdurchmesser und den Materialeigenschaften der Feder entstehen, auszugleichen. Auf Grund des konstruktiven Aufbaus eines Proportionalventils kann der Kraftsensor in die Justierschraube integriert werden. Die Realisierung der Schraube mit integriertem Sensor kann auf verschiedene Weise geschehen: der Kraftsensor kann als runde Messdose ausgeführt sein die konzentrisch an das der Feder zugewandte Ende der Schraube angebracht wird. Die Feder drückt dabei gegen den Verformungskörper des Kraftsensors. Die Position des Kraftsensors wird durch die Stellung der Justierschraube bestimmt. In einem alternativen Ansatz zur Realisierung kann die Justierschraube auch mit einer Querbohrung versehen werden, die senkrecht zur Längsachse der Schraube verläuft. In diese Bohrung kann auch ein geeignet ausgeführter Kraftsensor eingesetzt werden.

Durch die Proportionalität zwischen der von der Feder ausgeübten Kraft und der Deformation der Feder liegt mit der Kraftmessung auch ein geeignetes Wegsignal für den Drosselkörper vor, weil die Feder durch den Drosselkörpers deformiert wird. Alle Störgrößen, die die Position des Drosselkörpers beeinflussen (zum Beispiel Reibkräfte oder Druckschwankungen des Mediums) werden somit erfasst und können in einem geschlossenen Regelkreis kompensiert werden. Wenn nur der elektrische Strom durch die Spule als Regelgröße verwendet wird bleibt der Einfluss dieser Störgrößen unkompensiert.

Da der Rückdruck des Mediums im Ventil auch eine Auswirkung auf das Ausgangssignal des Kraftsensors hat, muss eine Kalibrierung des Ventils mit Sensor vorgenommen werden, um diese Größe nicht mit in die Regelung einfließen zu lassen.

Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren haben den Nachteil, dass sie die Baugröße des Ventils erheblich erhöhen. Das ist unerwünscht, weil dadurch die Anwendungsgebiete des Ventils erheblich eingeschränkt werden. Das in DE 199 09 109 A1 beschriebene Verfahren ist für die Regelung der Ankergeschwindigkeit in Schaltventilen bestimmt. Die Auflösung des Wegsignals ist bei diesem Verfahren abhängig von der Position des Ankers: bei geringem Abstand zur Polfläche ist die Auflösung am höchsten. Das Wegsignal kann mit dieser Technik auch nicht über den gesamten Hub des Ankers gemessen werden. Aus beiden Gründen ist dieser Ansatz für die Lageregelung eines Proportionalventils nicht geeignet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt den typischen Aufbau eines Proportionalventils ohne die Magnetspule. Ein Kraftsensor ist an die Justierschraube integriert.
Fig. 2 zeigt die Justierschraube mit konzentrisch am federzugewandten Ende der Schraube angebrachtem Kraftsensor.
Fig. 3 zeigt die Justierschraube mit einem Kraftsensor in einer Querbohrung.
Das gezeigte Proportionalventil hat ein Ventilgehäuse 1 mit fluidischen Anschlüssen und einem Ventilsitz; es wird vom Medium durchströmt. Der Ventilsitz kann durch die mit einem Drosselkörper 2 verbundene Dichtung kontinuierlich geöffnet oder verschlossen werden. Eine Rückstellfeder 4 drückt den Drosselkörper 2 mit der Dichtung gegen den Ventilsitz und übt so eine schließende Kraft aus. Gegen die Rückstellfeder 4 wird der Drosselkörper 2 von der Magnetkraft einer ihn umgebenden (nicht gezeigten) Magnetspule vom Ventilsitz abgehoben. Da die Rückstellfeder gewissen Toleranzen bei Material und Fertigung unterliegt, kann ihre Spannung - und damit der Arbeitspunkt des Proportionalventils - durch eine Justierschraube 5 eingestellt werden. Zwischen der Justierschraube 5 und der Rückstellfeder 4 ist ein Kraftsensor 6 angeordnet.
In Fig. 2. ist die Justierschraube mit konzentrisch angebrachtem Kraftsensor gezeigt. Der Kraftsensor hat eine zylinder- oder hutartige Form. Die Verbindung von Justierschraube und Kraftsensor geschieht mittels eines geeigneten Verfahrens wie Kleben, Schweißen, Pressen oder einer anderer bekannten Technik.
In Fig. 3. ist die Integration des Kraftsensors in einer Querbohrung der Justierschraube gezeigt. Die Justierschraube wird in diesem Fall zu einem Verformungskörper, über den die einwirkende Federkraft auf die Wirkfläche des Kraftsensors (zum Beispiel Membran mit Widerstandsbrücke) wirkt.

ZITIERTE DRUCKSCHRIFTEN

Im folgenden sind die vorstehend zitierten Druckschriften aufgeführt:
[1] Gevatter, Hans-Jürgen: Automatisierungstechnik 3; Berlin: Springer Verlag; 2000
[2] Gevatter, Hans-Jürgen: Automatisierungstechnik 2; Berlin: Springer Verlag; 2000
[3] Skinner, S. C.: Grundlagen der Proportionalventil-Technik; Firmenschrift Vickers Systeme GmbH, Bad Homburg v. d. H.; 1987
[4] Kabisch, G.; Berg, H.; Beck, K.: Stetigventile in der Pneumatik und im General Purpos Bereich; Industriearmaturen; Jahrg. 4; Heft 3; 1996; S. 232-239
[5] Scholz, D.: Proportionalhydraulik; Berling: Springer Verlag; 1997

Claims

1. Verfahren zur Messung der aktuellen Position des durch eine Rückstellfeder belasteten Drosselkörpers bei einem Ventil dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft der Rückstellfeder gemessen und aus dem Messwert eine für die Position des Drosselkörpers repräsentative Größe abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft der Rückstellfeder mittels eines Kraftsensors gemessen wird, der an einer Justierschraube zur Einstellung der Federspannung integriert ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor am der Feder zugewandten Ende der Justierschraube angebracht ist.

4. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor in einer senkrecht zur Längsachse der Justierschraube verlaufenden Querbohrung integriert ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft der Rückstellfeder mittels eines Kraftsensors gemessen wird, der den piezoelektrischen oder piezoresistiven Effekt zur Messung der eingeleiteten Kraft ausnützt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft der Rückstellfeder mittels eines Kraftsensors gemessen wird, der nach dem Prinzip einer durch die eingeleitete Kraft beeinflussbaren Widerstandsbrücke ausgeführt ist.

7. Proportionalventil mit einem Drosselkörper, der durch eine Rückstellfeder in eine Schließstellung belastet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstellfeder ein ihre Federkraft messender Kraftsensor zugeordnet ist, dessen Messsignal für die aktuelle Position des Drosselkörpers repräsentativ ist.

8. Proportionalventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor zwischen dem Drosselkörper und einer Justierschraube angeordnet ist.

9. Proportionalventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussleitung durch die Justierschraube zu dem Kraftsensor geführt ist.