DE102022118896A1

DE102022118896A1 - Valve unit, diaphragm valve and method

Info

Publication number: DE102022118896A1
Application number: DE102022118896.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Krippner; Sagar Agarwal; Jochen Krauss
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-27
Publication date: 2024-02-01
Also published as: CN117469425A

Abstract

Es wird eine Ventileinheit (12) angegeben, insbesondere für ein Membranventil (10), mit einem Fluidgehäuse (14), in dem ein Ventilsitz (16) ausgebildet ist, einer Membran (26), die zum Freigeben oder Verschließen eines Strömungsweges durch das Fluidgehäuse (14) mit dem Ventilsitz (16) zusammenwirkt, und mit einem kapazitiven Sensor (40), welcher derart angeordnet ist, dass sich die Membran (26) zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors (40) befindet. Des Weiteren werden ein Membranventil (10) und ein Verfahren zum Betreiben eines Membranventils (10) angegeben.A valve unit (12) is specified, in particular for a membrane valve (10), with a fluid housing (14) in which a valve seat (16) is formed, a membrane (26) which is used to open or close a flow path through the fluid housing (14) interacts with the valve seat (16), and with a capacitive sensor (40), which is arranged such that the membrane (26) is at least partially in the electrical field of the capacitive sensor (40). Furthermore, a membrane valve (10) and a method for operating a membrane valve (10) are specified.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinheit, ein Membranventil sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Membranventils.The invention relates to a valve unit, a membrane valve and a method for operating a membrane valve.

Bei Membranventilen treten in der Regel im Laufe der Zeit Alterungs- und Verschleißerscheinungen in der Membran auf, beispielsweise eine Degradation oder Ausdünnung des Materials, eine Änderung der Geometrie oder Risse, welche die Eigenschaften der Membran negativ beeinflussen oder zu einer Leckage führen können. Derartige Alterungs- und Verschleißerscheinungen werden zum Teil durch die im Betrieb des Membranventils herrschenden Bedingungen wie Temperatur, Druck und Durchfluss begünstigt. Bei der Dosierung von Säuren oder anderen aggressiven Chemikalien oder Gasen kann das Material der Membran über einen längeren Zeitraum betrachtet von den verwendeten Medien angegriffen werden.With diaphragm valves, signs of aging and wear in the diaphragm usually occur over time, such as degradation or thinning of the material, a change in geometry or cracks, which can negatively affect the properties of the diaphragm or lead to leakage. Such aging and wear phenomena are partly promoted by the conditions prevailing during operation of the diaphragm valve, such as temperature, pressure and flow. When dosing acids or other aggressive chemicals or gases, the material of the membrane can be attacked by the media used over a longer period of time.

Es ist daher notwendig, die Membran regelmäßig auszutauschen.It is therefore necessary to replace the membrane regularly.

Da die Membran jedoch nicht zugänglich ist, ohne das Ventil zu demontieren, ist es schwierig, während des Betriebs Informationen über einen Zustand der Membran zu erhalten und eine verbleibende Restlebensdauer zuverlässig vorauszusagen.However, because the diaphragm is not accessible without dismantling the valve, it is difficult to obtain information about a condition of the diaphragm during operation and to reliably predict remaining service life.

Es ist bekannt, Sensoren direkt auf der Membran zu befestigen oder in die Membran einzubetten. Diese Lösungen beeinflussen jedoch die Eigenschaften der Membran, insbesondere die Flexibilität der Membran. Außerdem können solche direkt aufgebrachten oder eingebetteten Sensoren zusätzliche Spannungen im Material bewirken, so dass ein Verschleiß der Membran sogar noch beschleunigt wird.It is known to attach sensors directly to the membrane or to embed them in the membrane. However, these solutions affect the properties of the membrane, especially the flexibility of the membrane. In addition, such directly applied or embedded sensors can cause additional tension in the material, so that wear of the membrane is even accelerated.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, den Zustand einer Membran in einem Membranventil zu detektieren, ohne die Eigenschaften der Membran negativ zu beeinflussen.It is therefore an object of the present invention to create a possibility of detecting the state of a membrane in a membrane valve without negatively influencing the properties of the membrane.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ventileinheit, insbesondere für ein Membranventil, mit einem Fluidgehäuse, in dem ein Ventilsitz ausgebildet ist, einer Membran, die zum Freigeben oder Verschließen eines Strömungsweges durch das Fluidgehäuses mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, und mit einem kapazitiven Sensor, welcher derart angeordnet ist, dass sich die Membran zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors befindet.This object is achieved according to the invention by a valve unit, in particular for a membrane valve, with a fluid housing in which a valve seat is formed, a membrane which cooperates with the valve seat to open or close a flow path through the fluid housing, and with a capacitive sensor, which is arranged in such a way that the membrane is at least partially in the electrical field of the capacitive sensor.

Die Membran bildet insbesondere ein Dielektrikum, sodass der kapazitive Sensor auf Bewegungen und Materialveränderungen der Membran reagiert. Bewegungen und Materialänderungen der Membran lassen sich insbesondere als Ausgangssignal des kapazitiven Sensors messen. Jede Änderung der Membran ändert den Kapazitätswert des Sensors.In particular, the membrane forms a dielectric so that the capacitive sensor reacts to movements and changes in the material of the membrane. Movements and material changes in the membrane can be measured in particular as an output signal from the capacitive sensor. Any change in the membrane changes the capacitance value of the sensor.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, dass Alterungs- und Verschleißerscheinungen der Membran im Betrieb kontinuierlich überprüft werden können und somit eine Vorhersage über die Restlebensdauer der Membran getroffen werden kann. Dabei kann auf Sensoren, die direkt auf die Membran aufgebracht werden müssen, verzichtet werden.The invention achieves the advantage that signs of aging and wear of the membrane can be continuously checked during operation and thus a prediction can be made about the remaining service life of the membrane. This eliminates the need for sensors that have to be attached directly to the membrane.

Die Membran kann frei von Sensoren sein, das heißt, es sind keine Sensoren in die Membran eingebettet oder auf der Membran befestigt. Konkret ist die Membran frei von Leiterbahnen, Dehnungsmessstreifen etc. Auf diese Weise bleibt eine hohe Flexibilität der Membran erhalten. Zudem kann eine hohe Lebensdauer der Membran erreicht werden, da Materialspannungen, welche durch zusätzliche Sensoren in der Membran verursacht werden und zu einer schnelleren Materialermüdung führen, vermieden werden.The membrane can be free of sensors, that is, there are no sensors embedded in the membrane or attached to the membrane. Specifically, the membrane is free of conductor tracks, strain gauges, etc. In this way, the membrane maintains a high level of flexibility. In addition, a long service life of the membrane can be achieved because material stresses, which are caused by additional sensors in the membrane and lead to faster material fatigue, are avoided.

Vorzugsweise befindet sich ein Bereich der Membran, der bei der Betätigung der Ventileinheit ausgelenkt wird, vollständig im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors. Dies trägt zu einem besonders genauen Messresultat bei.Preferably, a region of the membrane that is deflected when the valve unit is actuated is completely in the electrical field of the capacitive sensor. This contributes to a particularly precise measurement result.

Der ausgelenkte Bereich der Membran hat vorzugsweise keinen Kontakt zum Sensor.The deflected area of the membrane preferably has no contact with the sensor.

Die Erfindung macht sich zunutze, dass sich bei gleichen Bedingungen ein Kapazitätssignal bei der Betätigung der Ventileinheit in gleicher Weise wiederholt.The invention makes use of the fact that, under the same conditions, a capacity signal is repeated in the same way when the valve unit is actuated.

Bei Alterung oder Verschleiß der Membran kommt es zu Änderungen der Konformität, der Leitfähigkeit des Membranmaterials oder zu Druckänderungen aufgrund von Rissen, was zu einer Änderung des Kapazitätssignals führt. Diese Änderung wird erfindungsgemäß genutzt, um eine Vorhersage über die Lebensdauer der Membran zu treffen.As the membrane ages or wears, there will be changes in conformity, conductivity of the membrane material, or pressure changes due to cracks, resulting in a change in the capacitance signal. This change is used according to the invention to make a prediction about the service life of the membrane.

Der kapazitive Sensor kann eine mehrlagige Elektrode umfassen. Durch einen derartigen Aufbau wird eine sehr kompakte Bauweise des Sensors erreicht.The capacitive sensor can include a multi-layer electrode. A very compact design of the sensor is achieved through such a structure.

Die einzelnen Lagen stellen die Anordnung von mehreren Kondensatoren dar. Insbesondere hat eine Elektrode mindestens eine Senderlage und mindestens eine Empfängerlage.The individual layers represent the arrangement of several capacitors. In particular, an electrode has at least one transmitter layer and at least one receiver layer.

Die Elektrode kann starr oder flexibel sein.The electrode can be rigid or flexible.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die mehrlagige Elektrode eine Elektrodenleiterplatte sein.According to an exemplary embodiment, the multilayer electrode may be an electrode circuit board.

Die Elektrode ist vorzugsweise an der vom Ventilsitz abgewandten Seite der Membran angeordnet. Somit kommt die Elektrode nicht mit dem zu dosierenden Medium in Kontakt und es kann auf eine aufwendige Abdichtung der Elektrode verzichtet werden.The electrode is preferably arranged on the side of the membrane facing away from the valve seat. This means that the electrode does not come into contact with the medium to be metered and there is no need for a complex sealing of the electrode.

Beispielsweise ist die Elektrode zwischen der Membran und einem Membransockel eines Ventilgehäuses angeordnet. Somit ist die Elektrode besonders nahe an der Membran positioniert, wodurch die Messgenauigkeit des kapazitiven Sensors verbessert ist.For example, the electrode is arranged between the membrane and a membrane base of a valve housing. The electrode is therefore positioned particularly close to the membrane, which improves the measurement accuracy of the capacitive sensor.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Elektrode vier Randelektroden, welche ein Zentrum der Membran umgeben. Mit dem Zentrum der Membran ist der Bereich gemeint, welcher bei einer Betätigung der Ventileinheit die stärkste Auslenkung erfährt. Indem das Zentrum von vier Randelektroden umgeben ist, wird der bewegte Bereich der Membran von dem Sensor besonders gut erfasst.According to one embodiment, the electrode comprises four edge electrodes which surround a center of the membrane. The center of the membrane refers to the area that experiences the greatest deflection when the valve unit is actuated. Because the center is surrounded by four edge electrodes, the moving area of the membrane is captured particularly well by the sensor.

Die Membran ist vorzugsweise aus einem leitfähigen Material gebildet oder umfasst eine leitfähige Lage. Beispielsweise ist die Membran bzw. die leitfähige Lage aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) gebildet. Durch Verwendung eines derartigen Materials wird die Bildung einer elektrostatischen Schicht auf der Oberseite der Membran unterstützt, was zu genaueren Messwerten führt.The membrane is preferably formed from a conductive material or comprises a conductive layer. For example, the membrane or the conductive layer is formed from ethylene-propylene-diene monomer (EPDM). Using such a material promotes the formation of an electrostatic layer on the top of the membrane, resulting in more accurate readings.

Die Membran und die mehrlagige Elektrode bilden zusammen insbesondere einen Parallelplattenkondensator, wobei die Membran eine Platte des Kondensators darstellt.The membrane and the multi-layer electrode together form in particular a parallel plate capacitor, the membrane representing a plate of the capacitor.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ventileinheit einen Temperatursensor, der eingerichtet ist, eine Temperatur innerhalb der Ventileinheit in der Umgebung der Membran zu messen. Der Temperatursensor dient zur Verbesserung des Messsignals. Konkret können Temperaturschwankungen, die eine Geometrieänderung der Membran verursachen, bei der Auswertung des Signals des kapazitiven Sensors berücksichtigt werden und somit die Qualität des Messsignals verbessert werden.According to one embodiment, the valve unit comprises a temperature sensor which is set up to measure a temperature within the valve unit in the vicinity of the membrane. The temperature sensor is used to improve the measurement signal. Specifically, temperature fluctuations that cause a change in the geometry of the membrane can be taken into account when evaluating the signal from the capacitive sensor and thus the quality of the measurement signal can be improved.

Der Temperatursensor kann in die Elektrode integriert sein, insbesondere in Form eines RFID-Temperatursensors. Dadurch wird eine sehr kompakte Bauweise erreicht.The temperature sensor can be integrated into the electrode, in particular in the form of an RFID temperature sensor. This results in a very compact design.

Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Membranventil mit einer erfindungsgemäßen Ventileinheit, wobei das Membranventil einen beweglich gelagerten Antriebsstößel umfasst, insbesondere einen linear verschiebbar gelagerten Antriebsstößel, der an der Membran befestigt ist. Der Antriebsstößel dient insbesondere dazu, die Membran auszulenken, also vom Ventilsitz abzuheben bzw. zum Absperren eines Fluidstroms durch das Fluidgehäuse gegen den Ventilsitz zu drücken. Durch ein derartiges Membranventil werden die bereits in Zusammenhang mit der Ventileinheit erläuterten Vorteile erreicht.The object is further achieved by a diaphragm valve with a valve unit according to the invention, the diaphragm valve comprising a movably mounted drive tappet, in particular a linearly displaceable drive tappet which is attached to the membrane. The drive plunger serves in particular to deflect the membrane, i.e. to lift it from the valve seat or to press it against the valve seat to shut off a fluid flow through the fluid housing. Such a membrane valve achieves the advantages already explained in connection with the valve unit.

Der Antriebsstößel erstreckt sich insbesondere durch eine Aussparung in der Elektrode hindurch. Das heißt, der kapazitive Sensor bzw. die Elektrode lässt sich einfach in dem Membranventil integrieren, ohne dass der grundsätzliche Aufbau des Ventils angepasst werden muss.The drive plunger extends in particular through a recess in the electrode. This means that the capacitive sensor or electrode can be easily integrated into the diaphragm valve without having to adapt the basic structure of the valve.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Analyseeinheit zur Auswertung einer vom kapazitiven Sensor gemessenen Kapazitätsänderung vorhanden. Mittels der Analyseeinheit lässt sich feststellen, ob eine Kapazitätsänderung durch eine aufgrund von Alterserscheinung oder Verschleiß bewirkte Geometrieänderung der Membran verursacht wurde.According to one embodiment, an analysis unit is present for evaluating a change in capacitance measured by the capacitive sensor. The analysis unit can be used to determine whether a change in capacity was caused by a change in the geometry of the membrane due to aging or wear.

Die Analyseeinheit kann in einem Steuerkopf des Ventils untergebracht sein.The analysis unit can be housed in a control head of the valve.

Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Membranventils, wobei ein Messsignal des kapazitiven Sensors über mehrere Bewegungszyklen der Membran hinweg erfasst und ausgewertet wird und anhand einer Änderung des gemessenen Kapazitätssignals über mehrere Zyklen hinweg eine Änderung der Materialeigenschaften der Membran festgestellt wird.The object is further achieved according to the invention by a method for operating a membrane valve according to the invention, wherein a measurement signal from the capacitive sensor is recorded and evaluated over several movement cycles of the membrane and a change in the material properties of the membrane is determined based on a change in the measured capacitance signal over several cycles becomes.

Das Kapazitätssignal wird beispielsweise kontinuierlich erfasst.The capacity signal is recorded continuously, for example.

Ein Bewegungszyklus der Membran ist insbesondere eine Bewegung der Membran ausgehend von einer Schließstellung in eine ausgelenkte Stellung und zurück in eine Schließstellung. Das heißt, die Bewegungszyklen sind nicht zwangsweise gleich lang, sondern die Dauer eines Bewegungszyklus hängt von einer Öffnungsdauer der Membran ab.A movement cycle of the membrane is in particular a movement of the membrane starting from a closed position into a deflected position and back into a closed position. This means that the movement cycles are not necessarily the same length, but rather the duration of a movement cycle depends on the opening duration of the membrane.

Bei einer identischen Auslenkung der Membran in mehreren Bewegungszyklen sollte die Änderung des gemessenen Kapazitätssignals im Idealfall gleich sein. Wenn das gemessene Kapazitätssignal bei gleicher Bewegung der Membran jedoch unterschiedlich ist, deutet dies darauf hin, dass eine Geometrieänderung der Membran stattgefunden hat. Je nachdem, wie stark sich das Kapazitätssignal über mehrere Bewegungszyklen hinweg unterscheidet, lässt sich auf einen Verschleiß der Membran schließen.With an identical deflection of the membrane in several movement cycles, the change in the measured capacitance signal should ideally be the same. However, if the measured capacitance signal is different for the same movement of the membrane, this indicates that a change in the geometry of the membrane has occurred. Depending on how strongly the capacity signal differs over several movement cycles, it can be concluded that the membrane is worn.

Beispielsweise wird ein Kapazitätssignal über mindestens 100, insbesondere über 1000 oder mehr Bewegungszyklen hinweg erfasst, um einen Verschleiß zu analysieren.For example, a capacity signal is recorded over at least 100, in particular over 1000 or more, movement cycles in order to analyze wear.

Der kapazitive Sensor lässt sich darüber hinaus auch als Positionssensor nutzen. Insbesondere kann ein Grad der Auslenkung der Membran festgestellt werden, wenn das Kapazitätssignal innerhalb eines Bewegungszyklus betrachtet wird. Konkret lässt sich feststellen, ob das Membranventil geöffnet oder geschlossen ist. Dadurch kann auf einen separaten Positionssensor verzichtet werden.The capacitive sensor can also be used as a position sensor. In particular, a degree of deflection of the membrane can be determined when the capacitance signal is considered within a movement cycle. Specifically, it can be determined whether the diaphragm valve is open or closed. This means there is no need for a separate position sensor.

Vorzugsweise wird zusätzlich eine Temperatur in der Umgebung der Membran erfasst und anhand der gemessenen Temperatur wird festgestellt, ob eine Änderung der Geometrie der Membran durch Temperaturdehnung bedingt ist. Preferably, a temperature in the area surrounding the membrane is also recorded and the measured temperature is used to determine whether a change in the geometry of the membrane is caused by thermal expansion.

Durch Berücksichtigung der Temperatur kann eine Abschätzung, wie stark der Verschleiß der Membran fortgeschritten ist, besonders genau sein.By taking the temperature into account, an estimate of how much wear on the membrane has progressed can be particularly accurate.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Frequenz einer Senderspannung zum Betreiben des kapazitiven Sensors variiert, beispielsweise nach einer festgelegten Anzahl an Bewegungszyklen der Membran oder nach einer definierten Zeitdauer. Bei einer niedrigen Frequenz können Geometrieänderungen der Membran besonders genau erfasst werden, also beispielsweise das Auftreten von Rissen. Bei einer hohen Frequenz kann eine Materialeigenschaftsänderung besonders genau festgestellt werden. Durch Variieren der Senderspannung kann somit die geeignete Frequenz für eine festzustellende Ursache einer Kapazitätsänderung eingestellt werden.According to one embodiment, a frequency of a transmitter voltage for operating the capacitive sensor is varied, for example after a fixed number of movement cycles of the membrane or after a defined period of time. At a low frequency, changes in the geometry of the membrane can be recorded particularly precisely, for example the appearance of cracks. At a high frequency, a change in material properties can be detected particularly precisely. By varying the transmitter voltage, the appropriate frequency can be set to determine the cause of a change in capacitance.

Beispielsweise wird die Senderspannung zwischen zwei absoluten Frequenzwerten variiert.For example, the transmitter voltage is varied between two absolute frequency values.

Zum Beispiel variiert die Frequenz von 1 kHz zu 15 MHz, insbesondere von 10 kHz zu 144 kHz.For example, the frequency varies from 1 kHz to 15 MHz, especially from 10 kHz to 144 kHz.

In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen kann überwiegend bei einer hohen oder überwiegend bei einer niedrigen Frequenz gemessen werden. Wenn zum Beispiel mit dem Membranventil ein aggressives Medium dosiert wird, wird ein Verschleiß aufgrund von Materialeigenschaftsänderung einen Hauptanteil am Verschleiß haben, sodass die Überwachung der Materialeigenschaften im Vordergrund steht. Bei hohen Temperaturschwankungen oder hohem Betriebsdruck treten als Verschleißerscheinungen überwiegend Geometrieänderungen auf.Depending on the operating conditions, measurements can be carried out predominantly at a high or predominantly at a low frequency. For example, if an aggressive medium is dosed with the diaphragm valve, wear due to changes in material properties will account for a large proportion of the wear, so monitoring the material properties is the priority. When there are high temperature fluctuations or high operating pressure, the main signs of wear are changes in geometry.

Statt die Frequenz zu variieren, können alternativ zwei kapazitive Sensoren im Membranventil vorhanden sein, die mit einer unterschiedlichen, konstanten Frequenz betrieben werden. Das Variieren der Frequenz hat jedoch den Vorteil, dass ein Sensor ausreichend ist, was zu einer kompakten und kostengünstigen Bauweise des Membranventils beiträgt.Instead of varying the frequency, there can alternatively be two capacitive sensors in the diaphragm valve that are operated at a different, constant frequency. However, varying the frequency has the advantage that one sensor is sufficient, which contributes to a compact and cost-effective design of the diaphragm valve.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 ein erfindungsgemäßes Membranventil mit einer erfindungsgemäßen Ventileinheit,
- 2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Messprinzips eines kapazitiven Sensors,
- 3 eine Empfängerlage des kapazitiven Sensors,
- 4 eine Senderlage des kapazitiven Sensors, und
- 5 eine Erdungslage des kapazitiven Sensors

Further advantages and features of the invention emerge from the following description and from the accompanying drawings, to which reference is made. Shown in the drawings:

- 1 a membrane valve according to the invention with a valve unit according to the invention,
- 2 a diagram to illustrate the measuring principle of a capacitive sensor,
- 3 a receiver position of the capacitive sensor,
- 4 a transmitter position of the capacitive sensor, and
- 5 a ground position of the capacitive sensor

1 zeigt einen Teil eines Membranventil 10 in einer Schnittdarstellung. 1 shows part of a membrane valve 10 in a sectional view.

Das Membranventil 10 hat eine Ventileinheit 12 mit einem Fluidgehäuse 14, in dem ein Ventilsitz 16 ausgebildet ist.The diaphragm valve 10 has a valve unit 12 with a fluid housing 14 in which a valve seat 16 is formed.

Ein Strömungsweg durch das Fluidgehäuse 14 erstreckt sich ausgehend von einem Fluideinlass 18 zum Ventilsitz 16 und über diesen hinweg zu einem Fluidauslass 20.A flow path through the fluid housing 14 extends from a fluid inlet 18 to the valve seat 16 and across this to a fluid outlet 20.

Auf das Fluidgehäuse 14 ist ein Membransockel 22 eines Ventilgehäuses 24 aufgesetzt.A membrane base 22 of a valve housing 24 is placed on the fluid housing 14.

Die Ventileinheit 12 umfasst des Weiteren eine Membran 26, die zum Freigeben oder Verschließen des Strömungsweges durch das Fluidgehäuse 14 mit dem Ventilsitz 16 zusammenwirkt.The valve unit 12 further comprises a membrane 26, which cooperates with the valve seat 16 to open or close the flow path through the fluid housing 14.

Ein beweglich gelagerter, insbesondere linear verschiebbarer Antriebsstößel 28 des Membranventils 10 ist mit der Membran 26 gekoppelt, derart, dass durch eine Bewegung des Antriebsstößels 28 die Membran 26 vom Ventilsitz 16 abgehoben wird bzw. gegen den Ventilsitz 16 gedrückt wird.A movably mounted, in particular linearly displaceable, drive plunger 28 of the diaphragm valve 10 is coupled to the membrane 26 in such a way that the membrane 26 is lifted from the valve seat 16 or pressed against the valve seat 16 by a movement of the drive plunger 28.

Der Antriebsstößel 28 erstreckt sich ausgehend von der Membran 26 in einen Steuerkopf 30 hinein, in dem auch ein Ventilantrieb (nicht dargestellt) untergebracht ist.The drive plunger 28 extends from the membrane 26 into a control head 30, in which a valve drive (not shown) is also accommodated.

Im Ausführungsbeispiel ist an der Membran 26 ein Angriffselement 32 angeformt, wobei der Antriebsstößel 28 über das Angriffselement 32 an der Membran 26 angreift.In the exemplary embodiment, an engagement element 32 is formed on the membrane 26, with the drive plunger 28 engaging on the membrane 26 via the engagement element 32.

Optional umfasst der Antriebsstößel 28 ein Druckverteilungselement 34, um einen vom Antriebsstößel 28 auf die Membran 26 bewirkten Druck besser zu verteilen.Optionally, the drive plunger 28 includes a pressure distribution element 34 in order to better distribute pressure caused by the drive plunger 28 on the membrane 26.

Die Membran 26 ist im Ausführungsbeispiel zweilagig ausgeführt.The membrane 26 is designed in two layers in the exemplary embodiment.

Zumindest eine der beiden Lagen 36, 38 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Insbesondere besteht zumindest die Lage 38 auf der Trockenseite der Membran 26 aus elektrisch leitfähigem Material.At least one of the two layers 36, 38 consists of an electrically conductive material. In particular, at least the layer 38 on the dry side of the membrane 26 consists of electrically conductive material.

Alternativ kann die Membran 26 insgesamt aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein.Alternatively, the membrane 26 can be formed entirely from an electrically conductive material.

Beispielsweise ist das leitfähige Material Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, es sind jedoch auch andere Materialien denkbar.For example, the conductive material is ethylene-propylene-diene monomer, but other materials are also conceivable.

Im Ausführungsbeispiel ist das Angriffselement 32 an der Lage 36 der Membran 26 angeformt, die zum fluidführenden Bereich des Membranventils 10 hin gerichtet ist.In the exemplary embodiment, the engagement element 32 is formed on the layer 36 of the membrane 26, which is directed towards the fluid-carrying area of the membrane valve 10.

Die Ventileinheit 12 umfasst des Weiteren einen kapazitiven Sensor 40.The valve unit 12 further includes a capacitive sensor 40.

Der kapazitive Sensor 40 umfasst eine mehrlagige Elektrode 42. Die einzelnen Lagen der Elektrode werden nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 6 im Detail beschrieben.The capacitive sensor 40 includes a multi-layer electrode 42. The individual layers of the electrode are described below with reference to 3 until 6 described in detail.

Der kapazitive Sensor 40 ist derart angeordnet, dass sich die Membran 26 zumindest abschnittsweise im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors 40 befindet.The capacitive sensor 40 is arranged such that the membrane 26 is at least partially in the electric field of the capacitive sensor 40.

Konkret befindet sich ein bewegter Bereich der Membran 26, der bei der Betätigung der Ventileinheit 12 ausgelenkt wird, im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors 40.Specifically, a moving region of the membrane 26, which is deflected when the valve unit 12 is actuated, is located in the electrical field of the capacitive sensor 40.

Die Elektrode 42 des kapazitiven Sensors 40 ist an der vom Ventilsitz16 abgewandten Seite der Membran 26 angeordnet.The electrode 42 of the capacitive sensor 40 is arranged on the side of the membrane 26 facing away from the valve seat 16.

Genauer gesagt ist die Elektrode 42 zwischen der Membran 26 und dem Membransockel 22 des Ventilgehäuses 24 angeordnet, insbesondere eingeklemmt.More precisely, the electrode 42 is arranged, in particular clamped, between the membrane 26 and the membrane base 22 of the valve housing 24.

Dabei berührt der ausgelenkte Bereich der Membran 26 die Elektrode 42 nicht. Lediglich ein unbewegter Randbereich der Membran 26 kann mit der Elektrode 42 in Kontakt sein.The deflected area of the membrane 26 does not touch the electrode 42. Only a stationary edge region of the membrane 26 can be in contact with the electrode 42.

Der Antriebsstößel 28 erstreckt sich durch eine Aussparung 44 in der Elektrode 42 hindurch.The drive plunger 28 extends through a recess 44 in the electrode 42.

Die Ventileinheit 12 umfasst zudem einen Temperatursensor 46, der eingerichtet ist, eine Temperatur innerhalb der Ventileinheit 12 in der Umgebung der Membran 26 zu messen. Im Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 46 in die Elektrode 42 integriert.The valve unit 12 also includes a temperature sensor 46, which is set up to measure a temperature within the valve unit 12 in the vicinity of the membrane 26. In the exemplary embodiment, the temperature sensor 46 is integrated into the electrode 42.

Eine in 1 lediglich schematisch veranschaulichte Ausleseeinheit 48 dient zur Auswertung einer vom kapazitiven Sensor 40 gemessenen Kapazitätsänderung.One in 1 Readout unit 48, which is only illustrated schematically, is used to evaluate a change in capacitance measured by capacitive sensor 40.

Die Ausleseeinheit 48 ist vorzugsweise signaltechnisch mit dem kapazitiven Sensor 40 verbunden und eingerichtet, die Signale des kapazitiven Sensors 40 auszulesen. Dadurch kann ein Kapazitätssignal kontinuierlich ausgewertet werden.The readout unit 48 is preferably connected to the capacitive sensor 40 in terms of signals and is set up to read out the signals from the capacitive sensor 40. This allows a capacity signal to be continuously evaluated.

Die Ausleseeinheit 48 ist beispielsweise durch einen Sensorchip gebildet.The readout unit 48 is formed, for example, by a sensor chip.

Die Ausleseeinheit 48 kann die ausgelesenen Daten an eine im Steuerkopf 30 vorhandene Analyseeinheit 49 senden, welche eingerichtet ist, die erfassten Daten auszuwerten und zu analysieren.The readout unit 48 can send the read data to an analysis unit 49 present in the control head 30, which is set up to evaluate and analyze the recorded data.

Die Analyseeinheit 49 ist beispielsweise durch einen Mikrocontrollerchip gebildet.The analysis unit 49 is formed, for example, by a microcontroller chip.

Es ist jedoch auch denkbar, dass eine externe Analyseeinheit 49 vorhanden ist, die zum Auswerten der erfassten Daten an den Steuerkopf 30 angeschlossen werden kann. In diesem Fall werden die vom Sensor 40 erfassten Werte zunächst in einer Speichereinheit des Membranventils 10 zwischengespeichert und bei angeschlossener Analyseeinheit 49 ausgelesen und ausgewertet.However, it is also conceivable that an external analysis unit 49 is present, which can be connected to the control head 30 to evaluate the recorded data. In this case, the values recorded by the sensor 40 are first temporarily stored in a storage unit of the diaphragm valve 10 and read out and evaluated with the analysis unit 49 connected.

Da sich der bewegte Bereich der Membran 26 im elektrischen Feld des kapazitiven Sensors 40 befindet, beeinflusst die Membran 26 den vom Sensor 40 gemessenen Kapazitätswert.Since the moving area of the membrane 26 is in the electric field of the capacitive sensor 40, the membrane 26 influences the capacitance value measured by the sensor 40.

Konkret beeinflusst eine Auslenkung der Membran 26 zur Betätigung des Membranventils 10 den Kapazitätswert, aber auch Geometrieänderungen oder Änderungen der Materialeigenschaften der Membran 26 aufgrund von Verschleiß und Alterung beeinflussen den gemessenen Kapazitätswert.Specifically, a deflection of the membrane 26 to actuate the membrane valve 10 influences the capacity value, but changes in geometry or changes in the material properties of the membrane 26 due to wear and aging also influence the measured capacity value.

Beispielsweise ändern Risse in der Membran 26 oder sonstige Änderungen der Geometrie oder der Materialbeschaffenheit den Leitwert der Membran 26, sodass sich ein Kapazitätssignal, das bei einem Bewegungszyklus der Membran 26 erfasst wird, im Laufe der Zeit ändert.For example, cracks in the membrane 26 or other changes in geometry or material properties change the conductance of the membrane 26, so that a capacitance signal that is detected during a cycle of movement of the membrane 26 changes over time.

Diese Änderungen des Kapazitätssignals werden genutzt, um einen Zustand der Membran 26 festzustellen, ohne dass das Membranventil 10 demontiert werden muss.These changes in the capacity signal are used to determine a state of the membrane 26 without the membrane valve 10 having to be dismantled.

Zu diesem Zweck wird im Betrieb des Membranventils 10 ein Messsignal des kapazitiven Sensors 40 über mehrere Bewegungszyklen der Membran 26 hinweg erfasst und ausgewertet. Anhand einer Änderung des gemessenen Kapazitätssignals über mehrere Zyklen hinweg wird eine Änderung der Materialeigenschaften der Membran festgestellt.For this purpose, during operation of the membrane valve 10, a measurement signal from the capacitive sensor 40 is recorded and evaluated over several movement cycles of the membrane 26. A change in the material properties of the membrane is determined based on a change in the measured capacitance signal over several cycles.

Das Kapazitätssignal wird vorzugsweises kontinuierlich erfasst.The capacity signal is preferably recorded continuously.

Zur Verbesserung des erfassten Kapazitätssignals wird zusätzlich eine durch den Temperatursensor 46 gemessene Temperatur berücksichtigt, wodurch Geometrieänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen erkannt werden.To improve the detected capacity signal, a temperature measured by the temperature sensor 46 is also taken into account, whereby geometry changes due to temperature fluctuations are detected.

Während des Betriebs des Membranventils 10 kann eine Frequenz einer Senderspannung zum Betreiben des kapazitiven Sensors 40 variiert werden, beispielsweise nach einer festgelegten Anzahl an Bewegungszyklen oder nach einem festgelegten Zeitintervall. Dadurch können verschiedene Arten von Verschleiß und Materialeigenschaftsänderungen besonders genau erfasst werden.During operation of the diaphragm valve 10, a frequency of a transmitter voltage for operating the capacitive sensor 40 can be varied, for example after a specified number of movement cycles or after a specified time interval. This allows different types of wear and material property changes to be recorded particularly precisely.

In 2 ist anhand eines Schaubilds eine Funktionsweise des kapazitiven Sensors 40 veranschaulicht, die grundsätzlich bekannt ist.In 2 A diagram is used to illustrate how the capacitive sensor 40 works, which is basically known.

Ein kapazitiver Sensor 40 arbeitet auf Basis der Veränderung der elektrischen Kapazität eines einzelnen Kondensators oder Kondensatorsystems.A capacitive sensor 40 operates based on the change in electrical capacitance of an individual capacitor or system of capacitors.

Im Ausführungsbeispiel bilden die Lagen der mehrlagigen Elektrode 42 die Kondensatoren des kapazitiven Sensors 40 und die Membran 26 bildet das Dielektrikum, so dass jede Bewegung oder Änderung der Materialeigenschaften der Membran 26 den Kapazitätswert des Sensors 40 ändert und erfasst wird.In the exemplary embodiment, the layers of the multi-layer electrode 42 form the capacitors of the capacitive sensor 40 and the membrane 26 forms the dielectric, so that any movement or change in the material properties of the membrane 26 changes the capacitance value of the sensor 40 and is detected.

Die Elektrode 42 umfasst insbesondere eine Empfängerlage 50, eine Senderlage 52 und eine Erdungslage 54, die in den 3 bis 6 veranschaulicht sind.The electrode 42 includes in particular a receiver layer 50, a transmitter layer 52 and a ground layer 54, which are in the 3 until 6 are illustrated.

3 zeigt eine Empfängerlage 50. Auf der Empfängerlage 50 sind vier Randelektroden 56 aufgebracht. Innerhalb der Randelektroden 56 kann eine Bewegung bzw. Geometrieänderung der Membran 26 erfasst werden. 3 shows a receiver layer 50. Four edge electrodes 56 are applied to the receiver layer 50. A movement or change in geometry of the membrane 26 can be detected within the edge electrodes 56.

Zusätzlich ist innerhalb der Randelektroden 56 eine ringförmige Leiterbahn 58 vorgesehen.In addition, an annular conductor track 58 is provided within the edge electrodes 56.

Die Leiterbahn 58 bildet eine Empfängerspule des kapazitiven Sensors 40.The conductor track 58 forms a receiver coil of the capacitive sensor 40.

Das Design der Leiterbahn 58 hat insbesondere einen Einfluss auf die Kapazität des kapazitiven Sensors 40.The design of the conductor track 58 has a particular influence on the capacity of the capacitive sensor 40.

4 zeigt eine Senderlage 52 mit einer großflächigen Leitschicht. 4 shows a transmitter layer 52 with a large-area conductive layer.

5 zeigt eine Erdungslage 54. 5 shows a ground layer 54.

Alle Lagen 50, 52, 54 haben eine identische Aussparung 60, welche bei zusammengefügten Lagen 50, 52, 54 die Aussparung 44 der Elektrode 42 bilden.All layers 50, 52, 54 have an identical recess 60, which forms the recess 44 of the electrode 42 when layers 50, 52, 54 are joined together.

Claims

Valve unit (12), in particular for a membrane valve (10), with a fluid housing (14) in which a valve seat (16) is formed, a membrane (26) which is used to open or close a flow path through the fluid housing (14). the valve seat (16), and with a capacitive sensor (40), which is arranged such that the membrane (26) is at least partially in the electrical field of the capacitive sensor (40).

Valve unit (12). Claim 1 , characterized in that the capacitive sensor (40) comprises a multi-layer electrode (42).

Valve unit (12). Claim 2 , characterized in that the electrode (42) is arranged on the side of the membrane (26) facing away from the valve seat (16).

Valve unit (12). Claim 3 , characterized in that the electrode (42) is arranged between the membrane (26) and a membrane base (22) of a valve housing (24).

Valve unit (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode (42) comprises four edge electrodes (56) which surround a center of the membrane (26).

Valve unit (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane (26) is formed from a conductive material or comprises a conductive layer.

Valve unit (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the valve unit (12) comprises a temperature sensor (46) which is set up to measure a temperature within the valve unit (12) in the vicinity of the membrane (26).

Diaphragm valve (10) with a valve unit (12) according to one of the preceding claims, wherein the diaphragm valve (10) comprises a movably mounted drive plunger (28) which is attached to the membrane (26).

Diaphragm valve (10). Claim 8 with a valve unit (12). Claim 2 , characterized in that the drive plunger (28) extends through a recess (44) in the electrode (42).

Diaphragm valve (10) according to one of the Claims 8 and 9 , characterized in that an analysis unit (49) is present for evaluating a change in capacitance measured by the capacitive sensor (40).

Method for operating a membrane valve (10) according to one of Claims 8 until 10 , wherein a measurement signal from the capacitive sensor (40) is recorded and evaluated over several movement cycles of the membrane (26) and a change in the material properties of the membrane (26) is determined based on a change in the measured capacitance signal over several cycles.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that a frequency of a transmitter voltage for operating the capacitive sensor (40) is varied.