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Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einer Positionserfassungseinrichtung.
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Um die Position eines Ventilelements zu erfassen und so den Zustand des Ventils bezüglich einer Öffnungs- oder Schließstellung zu bestimmen, ist es bekannt, an einem mit dem Ventilelement verbundenen, linear beweglichen Ventilstößel einen Magneten als Signalgeber anzuordnen, der sich im Erfassungsbereich eines Hallsensors bewegt. Das auf diese Weise im Hallsensor erzeugte Messsignal wird zur Positionsbestimmung verwendet.
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Die Signalstärke des Messsignals variiert stark mit dem Abstand, in dem der Magnet den Hallsensor passiert, sodass normalerweise ein möglichst geringer Abstand gewählt wird, um eine möglichst hohe Signalamplitude zu erhalten. Daher wird meist der Hallsensor so nahe wie möglich am Magneten positioniert und mittig zur Bewegungsachse des Magneten ausgerichtet.
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Bei Hallsensoren, die eine Bewegung in drei senkrecht zueinander liegenden Raumrichtungen messen, resultiert bei einer derartigen Anordnung eine axiale Bewegung eines axial polarisierten Magneten in einem Messsignal für die Bewegungsrichtung (im Folgenden auch als x-Richtung bezeichnet) sowie in einem Messsignal für die Richtung vom Magneten zum Hallsensor (im Folgenden auch als z-Richtung bezeichnet). Aufgrund des Verlaufs der Magnetfeldlinien wird kein oder nur ein sehr geringes Signal für die dritte Raumrichtung (im folgenden auch y-Richtung genannt) gemessen.
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Um die Messsignale auszuwerten, ist es beispielsweise aus der
DE 10 2018 203 884 A1 bekannt, den Quotienten der beiden erhaltenen Messsignale zu bilden und auf dieses Ergebnis zur Linearisierung eine Sigmoidfunktion, beispielsweise eine Arkustangensfunktion, anzuwenden.
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Fertigungsbedingt variieren bei in Halbleiterchips integrierten Hallsensoren die Eigenschaften der Teilsensoren für die einzelnen Raumrichtungen, wie etwa Empfindlichkeit, Offset und Drift. Dabei weisen die auf der Fläche des Hallsensors angeordneten x- und y-Teilsensoren ähnliche Eigenschaften auf, während die Eigenschaften des in die Tiefe des Hallsensors gerichteten z-Teilsensors stärker abweichen.
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Somit müssen bei der Verwendung der Messsignale des x- und des z-Teilsensors bei der Auswertung sämtliche Sensoreigenschaften berücksichtigt werden, was aufwendige Berechnungen bzw. Fehlerkorrekturen erfordert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Positionserfassung in einem Ventil zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird mit einem Ventil mit einer Positionserfassungseinrichtung gelöst, die zumindest einen Hallsensor und einen Signalgeber umfasst, wobei der Hallsensor so aufgebaut ist, dass er zumindest zwei Teilsensoren umfasst, die Magnetfeldkomponenten in einer ersten Messeinrichtung und einer zweiten zu dieser orthogonalen Messerichtung erfasst, wobei die beiden Messrichtungen in einer flächigen Messzone des Hallsensors liegen. In der Ebene der Messzone ist eine Erstreckung des Hallsensors in den beiden Messrichtungen größer als eine Erstreckung des Hallsensors senkrecht dazu. Der Signalgeber ist ein axial polarisierter Magnet, der an einem entlang einer Bewegungsachse linear verschieblichen Ventilstößel so angeordnet ist, dass seine Pole in der Bewegungsachse liegen, wobei die Bewegungsachse parallel zu ersten Messeinrichtung und entlang einer Flächennormalen der Messzone von der Messzone beabstandet verläuft. Auf der Messzone ist eine gedachte Mittellinie durch einen Mittelpunkt der Messzone und entlang der ersten Messrichtung definiert, wobei die Bewegungsachse von der Mittellinie entlang der zweiten Messrichtung beabstandet angeordnet ist.
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Die erste Messrichtung entspricht in der oben beschriebenen Anordnung der x-Richtung, während die zweite Messrichtung der y-Richtung entspricht.
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Die Messzone stellt den aktiven Messbereich des Hallsensors dar, und ist normalerweise deutlich kleiner als die Gehäuseabmessungen des Hallsensors. Diese Messzone ist für jeden Sensor bekannt und für den Fachmann am Hallsensor selbst oder aus einer Dokumentation des Herstellers für diesen Hallsensor klar ersichtlich, um einen positionsgenauen Einbau des Hallsensors zu ermöglichen. Beispielsweise ist bei bekannten Hallsensoren ein Mittelpunkt der Messzone mit Bemaßungen der Messzone sowie der Ausrichtung der Messrichtungen angegeben.
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Die Bewegungsachse ist also wie bei der bekannten Anordnung mit einem (geringen) Abstand in z-Richtung vor der Messzone platziert, jedoch gegenüber der Mittellinie, die die Symmetrieachse des y-Teilsensors bildet, versetzt. Somit erfasst auch der y-Teilsensor eine Komponente des Magnetfelds des Signalgebers und liefert ein ausreichend großes Signal. Dies erlaubt, für die Berechnung des Messsignals die Werte des x-Teilsensors und des y-Teilsensors zu verwenden, die beide in der flächigen Messzone angeordnet sind und ähnliche Sensoreigenschaften aufweisen.
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Somit ergibt sich der Vorteil, dass sich bei der Bildung eines Quotienten der Messsignale gleiche Sensorfehler herauskürzen und sich ähnliche Sensorfehler zumindest reduzieren, was die Auswertung vereinfacht.
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Besonders geeignet zur Umsetzung der Erfindung sind Hallsensoren, die dazu ausgelegt sind, auf einer Platine montiert zu werden, und die meistens beidseits der durch die Messzone definierten Fläche angeordnete Kontakte aufweisen, sodass die Messzone parallel zu einer Oberseite des Hallsensors und parallel zur Platine liegt.
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Da die Bewegungsachse in z-Richtung vor der Fläche der Messzone des Hallsensors positioniert ist, ist die Platine, auf der der Hallsensor angeordnet ist, an einer Gehäusewand montierbar, was eine kompakte Anordnung ermöglicht.
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Der Abstand der Bewegungsachse von der Mittellinie kann im Ermessen des Fachmanns gewählt werden. Hierbei ist zu beachten, dass der Abstand so groß zu wählen ist, dass ein für praktische Belange nutzbares Messsignal des der zweiten Messrichtung zugeordneten y-Teilsensors erhalten wird. Mit zunehmendem Abstand erhöht sich zunächst die Signalstärke der y-Komponente, da zunehmend die y-Komponente des Magnetfelds des Signalgebers erfasst wird, bis die Signalstärke nach Überschreiten eines Maximums durch die allgemeine Abstandsabhängigkeit wieder abnimmt. Die Signalstärke der x-Komponente verringert sich jedoch mit zunehmenden Abstand sobald Bewegungsachse und Mittellinie nicht mehr deckungsgleich sind. Innerhalb dieses nutzbaren Abstandes kann der Fachmann die Position der Bewegungsachse frei wählen.
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Als gut geeignete Anordnung hat sich erwiesen, den Versatz der Bewegungsachse gegenüber der Mittellinie entlang der zweiten Messrichtung so groß zu wählen, dass in einer Projektion entlang der Flächennormalen der Messzone die Bewegungsachse nicht mit der Mittellinie und optional nicht mit der Messzone überlappt.
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Optional ist der Versatz der Bewegungsachse gegenüber der Mittellinie entlang der zweiten Messrichtung so gewählt, dass er einen Faktor von 0,3 bis 0,5 eines Durchmessers des Signalgebers senkrecht zu Bewegungsachse beträgt.
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Beispielsweise kann bei einem Durchmesser des Signalgebers von 19 mm und einer Höhe von 5 mm der Versatz gegenüber der Mittellinie 5 mm bis 8 mm betragen. Hierbei wurde von einer Messzone mit dem Durchmesser von 1 mm entlang der zweiten Messrichtung ausgegangen. Der Versatz der Bewegungsachse in z-Richtung kann beispielsweise 10 mm betragen.
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Vorzugsweise ist die Bewegungsachse so von der Mittellinie beabstandet angeordnet, dass die Signalstärken in der ersten und der zweiten Messrichtung dem Betrag nach in derselben Größenordnung liegen. Beispielsweise kann das Verhältnis der Differenzen zwischen Minimal- und Maximalwert für die Messsignale, die aus der ersten und der zweiten Messrichtung bei der Wegbewegung des Signalgebers über dessen gesamten Bewegungsbereich resultieren, zwischen 1,0 und 2,0 liegen.
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Der Signalgeber ist vorzugsweise ein Permanentmagnet mit exakt zwei Polen, der linear polarisiert ist, sodass einfache und kostengünstige Magnete verwendet werden können.
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Um den Messbereich zu erweitern, lassen sich entlang der Bewegungsachse mehrere separate Hallsensoren hintereinander anordnen, die nacheinander den Signalgeber erfassen. Beispielsweise können drei bis fünf, insbesondere identische Hallsensoren in einer Geraden hintereinander vorgesehen sein, wobei die Bewegungsachse für alle Hallsensoren einen identischen Versatz gegenüber der Mittellinie der Messzone hat.
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Der Hallsensor ist insbesondere in einem Steuerkopf des Ventils aufgenommen, in dem sich der Ventilstößel mit dem daran angebrachten Signalgeber hinein erstreckt.
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Der Steuerkopf umfasst beispielsweise ausschließlich nicht vom Prozessmedium fluiddurchströmte Abschnitte des Ventils.
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Der Steuerkopf weist bevorzugt eine Befestigungsstruktur für eine Platine auf, auf der der Hallsensor montiert. Außerdem weist der Steuerkopf an einer zu einem Ventilelement des Ventils weisenden Seite normalerweise eine Durchführung für den Ventilstößel auf. Die Befestigungsstruktur und die Durchführung geben durch ihre Positionen die Position der Bewegungsachse bezüglich des Hallsensors vor, was die exakte Montage des Hallsensors vereinfacht.
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Das Ventilelement ist in Kontakt mit fluiddurchströmten Bereichen des Ventils und verschließt beispielsweise einen Ventilsitz oder gibt diesen frei, wobei das Ventilelement in eindeutiger mechanischer Beziehung mit dem Ventilstößel und somit dem Signalgeber verbunden ist, sodass eine Bestimmung der Position des Signalgebers eindeutig Auskunft über die Position des Ventilelements gibt.
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Das Ventil ist beispielsweise ein Prozessventil, die Erfindung ist aber auch in allen anderen geeigneten Ventilen umsetzbar.
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Um die Signale des Hallsensors zu verarbeiten umfasst die Positionserfassungseinrichtung vorzugsweise eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit, die mit dem Hallsensor signalübertragend verbunden ist. Diese Steuer- und/oder Auswerteeinheit kann beispielsweise auf der gleichen Platine angeordnet sein wie der Hallsensor. Es ist aber auch möglich, die Signale extern zu verarbeiten und somit die Steuer- und/oder Auswerteeinheit an anderer Stelle des Ventils oder außerhalb des Ventils anzuordnen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils;
- - 2 schematisch die Positionierung eines Signalgebers gegenüber einem Hallsensor der Positionserfassungseinrichtung des Ventils aus 1 in der y-z-Ebene;
- - 3 schematisch die Positionierung des Signalgebers gegenüber dem Hallsensor in der x-y-Ebene;
- - 4 schematisch die Positionierung des Signalgebers gegenüber dem Hallsensor in der x-z-Ebene; und
- - 5 eine schematische Darstellung der in der Positionserfassungseinrichtung des Ventils aus 1 erfassten Messsignale der Teilsensoren des Hallsensors.
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1 zeigt ein Ventil 10, hier ein Prozessventil, mit einer schematisch dargestellten Positionserfassungseinrichtung 12, die in einem Steuerkopf 14 des Ventils 10 aufgenommen ist.
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Der Steuerkopf 14 umfasst hier ausschließlich nicht von Prozessmedium durchströmte Bauteile des Ventils 10.
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Ein Ventilstößel 16 ragt durch eine Durchführung 18 am unteren Ende des Steuerkopfs 14 hindurch und ist außerhalb des Steuerkopfs 14 mit einem Ventilelement 20 fest verbunden.
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Das Ventilelement 20 wirkt mit den Prozessmedien führenden Komponenten des Ventils 10 zusammen, die hier nur angedeutet sind. Beispielsweise kann das Ventilelement 20 einen Ventilsitz verschließen oder freigeben oder mit einem Bauteil zusammenwirken, das den Ventilsitz verschließt oder freigibt. In jedem Fall überträgt sich die Bewegung des Ventilstößels 16 unmittelbar und direkt auf das Ventilelement 20, sodass eine Position des Ventilstößels 16 eine eindeutige Auskunft über die Position des Ventilelements 20 gibt.
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An dem dem Ventilelement 20 entgegengesetzten Ende ist am Ventilstößel 16 ein Signalgeber 22 angeordnet. Der Signalgeber 22 ist ein axial polarisierter Magnet, dessen Pole entlang der Längsachse des Ventilstößels 16 angeordnet sind. Die in 1 dargestellte Anordnung der Pole ist beispielhaft gewählt, der Signalgeber 22 kann natürlich auch umgekehrt gepolt sein.
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Die Längsachse des Ventilstößels 16 definiert eine Bewegungsachse Ax, wobei sich der Ventilstößel 16 linear entlang der Bewegungsachse Ax in einem vorgegebenen Bewegungsbereich hin und her verschiebt, um das Ventilelement 20 zu bewegen.
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Der Signalgeber 22 ist positionsfest am Ventilstößel 16 angebracht und erzeugt ein um die Bewegungsachse Ax rotationssymmetrisches Magnetfeld. Es ist hier nur ein einziger Signalgeber 22 im Ventil 10 vorgesehen.
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Der Signalgeber 22 ist Teil der Positionserfassungseinrichtung 12. Zur Positionserfassungseinrichtung 12 gehören auch noch ein oder mehrere (hier drei) Hallsensoren 24. In diesem Beispiel sind sämtliche Hallsensoren 24 gemeinsam auf einer Platine 26 montiert. Sämtliche Hallsensoren 24 sind entlang einer Geraden aufgereiht.
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Jeder der Hallsensoren 24 umfasst eine Messzone 28, die kleiner ist als die Gehäuseabmessungen des Hallsensors 24.
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In diesem Beispiel sind alle Hallsensoren 24 so ausgelegt, dass sie Messsignale in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen x, y, z erfassen können. Als x- und y-Richtung werden hier eine erste und eine zweite Messrichtung betrachtet, die in der Fläche der Messzone 28 liegen und die somit auf der größten Fläche des im Wesentlichen quaderförmigen Hallsensors 24 angeordnet sind. Die erste und die zweite Messrichtung x, y sind hier auch parallel zur Fläche der Platine 26. Die dritte Messrichtung verläuft somit in z-Richtung in die Tiefe des Hallsensors 24 senkrecht zur Messzone 28 hinein. Diese Messrichtung ist hier nicht von Belang.
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Selbstverständlich ist die Erfindung auch mit Hallsensoren umsetzbar, die nur Teilsensoren für die erste und die zweite Messrichtung x, y, nicht aber für die z-Richtung aufweisen.
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Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu.
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Im Inneren des Steuerkopfs 14 ist eine Befestigungsstruktur 30 ausgebildet, an der die Platine 26 fest montiert ist.
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Über die Befestigungsstruktur 30 und die Durchführung 18 sind die Position des Ventilstößels 16 sowie der Hallsensoren 24 im Inneren des Steuerkopfs 14 fest vorgegeben, und somit auch die Relativpositionen des Signalgebers 22 zu den Hallsensoren 24.
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Die Bewegungsachse Ax ist entlang der ersten Messrichtung x ausgerichtet und ist mit einem Versatz vy und vz gegenüber den Hallsensoren 24, genauer gegenüber einer gedachten Mittellinie M der Messzone 28 jedes der Hallsensoren 24, angeordnet (siehe auch 2 bis 4).
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Die gedachte Mittellinie M verläuft durch einen Mittelpunkt MP jeder Messzone 28 und entlang der ersten Messrichtung x. Die z-Richtung fällt mit einer Flächennormalen N der Messzone 28 zusammen (siehe auch 2).
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Wie in 2 dargestellt ist, schafft der Versatz vy einen Abstand zwischen der Bewegungsachse Ax und der Mittellinie M entlang der zweiten Messrichtung y, während der Versatz vZ einen Abstand zwischen der Bewegungsachse Ax und der Messzone 28 in z-Richtung herstellt.
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Optional ist der Versatz vy so groß gewählt, dass in einer Projektion entlang der Flächennormalen N der Signalgeber 22 nicht mit der Messzone 28 überlappt, wie die 1 bis 3 zeigen.
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Der Signalgeber 22 ist ein axial polarisierter Permanentmagnet mit exakt einem Nord- und einem Südpol. Der Durchmesser d senkrecht zur Bewegungsachse Ax beträgt z.B. 19 mm. Als Höhe entlang der Bewegungsachse Ax sind hier 5 mm gewählt.
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Die Messzone 28 des Hallsensors 24 hat in diesem Beispiel entlang der y-Richtung eine Breite von 1 mm.
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Der Versatz vy beträgt hier 5 bis 8 mm
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Generell kann der Versatz vy beispielsweise einen Faktor von 0,3 bis 0,5 des Durchmessers d des Signalgebers 22 betragen.
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Die Positionserfassungseinrichtung 12 umfasst außerdem eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit 32 (siehe 1), die signalübertragend mit den Hallsensoren 24 verbunden und die hier ebenfalls auf der Platine 26 angeordnet ist.
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Wird der Ventilstößel 16 entlang der Bewegungsachse Ax bewegt, so bewegt sich der Signalgeber 22 um das gleiche Maß wie das Ventilelement 20. Da sich der Signalgeber 22 relativ zu den Hallsensoren 24 bewegt, verändert sich das von den Hallsensoren 24 erzeugte Messsignal.
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Die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 32 registriert auf bekanntem und hier nicht näher erläutertem Weg, welche der Hallsensoren 24 momentan dem Signalgeber 22 am nächsten liegt und somit aktuell für die Erfassung zuständig ist.
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Das bewegte Magnetfeld des Signalgebers 22 erzeugt in dem für die erste Messrichtung x zuständigen Teilsensor des Hallsensors 24 ein im Wesentlichen betragsmäßig stetig ansteigendes und wieder abfallendes Messsignal 34, wie in 5 dargestellt ist.
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Für die zweite Messrichtung y werden aufgrund des Versatzes vy Magnetfeldkomponenten in y-Richtung erfasst, die im Verlauf der Passage des Signalgebers 22 entlang des Hallsensors 24 die Polarität wechseln. Dementsprechend resultiert ein Messsignal 36, dass sowohl einen positiven als auch einen negativen Peak aufweist (siehe 5). Selbstverständlich ist der Verlauf der Messkurven von der Polung des Signalgebers 22 abhängig.
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Das Messsignal 38 des z-Teilsensors wird hier nicht berücksichtigt.
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Die Position der Bewegungsachse Ax bezüglich der Messzone 28, also die Größe des Versatzes vy, vz, ist im Ermessen des Fachmanns so auszuwählen, dass die Amplitude S des für die zweite Messrichtung y empfangenen Messsignals 36 in derselben Größenordnung liegt wie die Amplitude S des für die erste Messrichtung x empfangenen Messsignals 34.
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Optional haben die maximalen Signalstärken (gemessen von Nulllinie-zu-Peak bzw. Peak-zu-Peak) der Messsignale 34, 36 für die erste und die zweite Messrichtung x, y ein Verhältnis von 1,0 bis 2,0.
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Bei der Auswertung der Messsignale 34, 36 wird ein Quotient aus den erfassten Messsignalen 34, 36 für die erste Messrichtung x und zweite Messrichtung y gebildet und dieses Ergebnis zur Gewinnung des Längensignals einer Sigmoidfunktion, beispielsweise einer Arkustangensfunktion zugeführt, woraus auf bekanntem Weg eine Kurve mit einem annähernd geradlinig ansteigenden Abschnitt resultiert, der eine direkte Abhängigkeit zur Bewegung des Signalgebers 22 aufweist und somit eine einfache Positionsbestimmung des Signalgebers 22 und des Ventilelements 20 erlaubt (hier nicht dargestellt).
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Die Länge dieses annähernd linearen Abschnittes zwischen zwei Wendepunkten der Kurve gibt den nutzbaren Messbereich vor. Generell gilt hier die Abhängigkeit, dass ein höherer Versatz vy zu einem größeren nutzbaren Messbereich führt, sich jedoch bei Überschreiten eines durch das aktuelle System vorgegebenen Werts für den Versatz vy die Amplitude S des Signals der zweiten Messrichtung y mit steigendem Versatz vy reduziert. In diesem Parameterbereich muss der Fachmann die geeignete Position der Bewegungsachse Ax für das konkrete System wählen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018203884 A1 [0005]
