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Die
Erfindung betrifft eine Temperaturinformations-Detektoreinrichtung für einen
Winkelstellungssensor bzw. Winkelstellungsgeber sowie eine Positionsdetektoreinrichtung
und bezieht sich insbesondere auf eine Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
für einen
zur Steuerung der Ventilöffnung eines
Durchflussregelventils geeigneten Winkelstellungssensor sowie auf
eine Positionsdetektoreinrichtung, bei der die Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
Verwendung findet.
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Üblicherweise
erfolgt der Betrieb eines Durchflussregelventils, indem die Ventilöffnung mittels
eines Winkelstellungssensors bzw. Winkelstellungsgebers ermittelt,
der Regelbetrag bzw. der Betrag der Regelabweichung der Ventilöffnung mit
Hilfe eines Reglers, d.h., einer Einrichtung zur Regelung der Ventilöffnung,
auf der Basis des ermittelten Ventilöffnungs-Istwertes und eines
vorgegebenen Ventilöffnungs-Sollwertes
berechnet und der Ventilöffnungs-Istwert
entsprechend der Regelabweichung automatisch auf den Ventilöffnungs-Sollwert
eingeregelt wird.
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3 zeigt eine übliche Durchflussregeleinrichtung
in Form eines Blockschaltbildes.
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In 3 bezeichnen die Bezugszahl 51 ein Durchflussregelventil,
die Bezugszahl 52 einen Ventilbügel, über den ein pneumatisches Stellglied 53 an dem
Durchflussregelventil 51 befestigt ist, die Bezugszahl 54 eine
von dem pneumatischen Stellglied angetriebene Ventil-Antriebswelle, die
Bezugszahl 55 einen Stift, der in einer vorgegebenen Position
an der Ventil-Antriebswelle 54 herausragend angeordnet
ist, und die Bezugszahl 56 einen an einem Teil des Ventilbügels 52 befestigten
Winkelstellungssensor, der ein Positionssignal in Abhängigkeit
von der Ventilöffnung
bzw. Ventilstellung abgibt. Ein solcher Winkelstellungssensor ist
aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 11-83422 bekannt
und findet praktische Verwendung. Hierbei umfasst der Winkelstellungssensor 56 eine
Anzahl von magnetischen Widerstandselementen, die in Form einer
Brückenschaltung
angeordnet sind, wobei zwei gegenüberliegenden Anschlüssen der
Brückenschaltung
eine Eingangsspannung zugeführt
wird, während
die Ausgangsspannung von den beiden anderen gegenüberliegenden
Anschlüssen
abgegriffen wird.
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Die
Bezugszahl 57 bezeichnet einen zur Zuführung einer der Ventilstellung
des Durchflussregelventils 51 entsprechenden Öffnungsbetragsinformation
zu dem Winkelstellungssensor 56 vorgesehenen Rückkopplungshebel,
der an einem Ende an der Drehachse des Winkelstellungssensors 56 befestigt ist.
In dem Rückkopplungshebel 57 ist
ein Schlitz 57a ausgebildet, mit dem der Stift 55 zur
Umsetzung der Hin- und Herbewegung der Ventilantriebswelle 54 in eine
Drehbewegung in gleitendem Eingriff steht. Die Bezugszahl 58 bezeichnet
einen Regler, der die Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung der
Ventilöffnung
darstellt und zusammen mit dem Winkelstellungssensor 56 in
einem an dem Ventilbügel 52 befestigten
Gehäuse
angeordnet ist, während
die Bezugszahl 59 einen Messfühler oder Sensor zur Erfassung
einer Temperaturinformation bezeichnet, der auf einem den Regler 58 bildenden
Substrat angeordnet ist. Dem Regler 58 wird von außen Druckluft als
Quelle für
den pneumatischen Steuerdruck bzw. Stelldruck zum Antrieb des pneumatischen
Stellglieds 53 zugeführt,
während über eine
Verbindung mit einer Fernsteuerung ein Ventilöffnungs-Sollwert übermittelt wird.
Ferner wird ein vom Winkelstellungssensor 56 abgegebenes
und die Ventilstellung des Durchflussregelventils 51 bezeichnendes
Positionssignal dem Regler 58 zugeführt.
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Betrieb
und Arbeitsweise dieses üblichen Durchflussregelventils
lassen sich folgendermaßen beschreiben:
Der
Regler 58 vergleicht das der vom Winkelstellungssensor 56 ermittelten
Ventilstellung des Durchflussregelventils 51 entsprechende
Positionssignal mit dem von der Fernsteuerung erhaltenen Ventilöffnungs-Sollwert.
In Abhängigkeit
vom Vergleichsergebnis wird der durch die Druckluft erzeugte pneumatische
Steuerdruck dem pneumatischen Stellglied 53 zur Verstellung
der Ventilantriebswelle 54 zugeführt, um die Ventilstellung
des Durchflussregelventils 51 zur Durchflussregelung eines
Fluids dahingehend zu steuern, dass sie mit dem von außen zugeführten Ventilöffnungs-Sollwert übereinstimmt.
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Falls
sich die Temperatur des Fluids, dessen Durchfluss vom Durchflussregelventil 51 des
Reglers 58 geregelt wird, erheblich von der Normaltemperatur
unterscheidet, weist die Temperatur des Reglers 58 und
des Winkelstellungssensors 56 auf Grund der über den
Ventilbügel 52 erfolgenden
Wärmeableitung
vom Durchflussregelventil 51 einen erheblichen Unterschied
in Bezug auf die Normaltemperatur auf. Das Ausgangssignal des Winkelstellungssensors 56 verändert sich
daher auf Grund einer Änderung
der temperaturabhängigen
Eigenschaften der den Winkelstellungssensor 56 bildenden
magnetischen Widerstandselemente. Aus diesem Grund wird in einem solchen
Fall eine Kompensationsberechnung bezüglich der Temperaturcharakteristik
zur Kompensation von Änderungen des
Ausgangssignals des Winkelstellungssensors 56 auf der Basis
eines von dem zur Temperaturkompensation vorgesehenen und z.B. in Form
eines Thermistors auf dem Substrat des Reglers 58 angeordneten
Temperaturmessfühler 59 abgegebenen
Signals vorgenommen. Zu diesem Zweck kann z.B. ein Verstärker für magnetische
Widerstandselemente Anwendung finden, wie er in der japanischen
Patent-Offenlegungsschrift
11-194160 offenbart ist. Da in diesem Fall der Regler 58 und
der Winkelstellungssensor 56 im gleichen Gehäuse angeordnet
sind, kann eine gleichmäßige Temperatur innerhalb
dieses Gehäuses
in Betracht gezogen werden. Der Temperaturmessfühler 59 dient außerdem auch
zur Temperaturkompensation von im Regler 58 angeordneten
Schaltungsteilen.
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Im
Falle des bekannten Durchflussregelventils sind der Regler 58 und
der Winkelstellungssensor 56 im gleichen Gehäuse angeordnet,
wobei das Gehäuse
am Ventilbügel 52 befestigt
ist. Der Temperaturmessfühler 59 ist
somit zur Messung der Temperatur innerhalb des Gehäuses unentbehrlich.
Außerdem
kann eine separate Anbringung des Reglers 58 an einer anderen
Stelle erforderlich sein. Wenn jedoch der Regler 58 getrennt
vom Winkelstellungssensor 56 angeordnet ist, erfasst der
Temperaturmessfühler 59 lediglich
die Temperatur des Substrats des Reglers 58, die natürlich nicht
als Temperatur des an einer anderen Stelle angeordneten Winkelstellungssensors 56 angesehen
werden kann.
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Bei
einer Anordnung, bei der der Regler 58 vom Winkelstellungssensor 56 getrennt
ist, muss somit ein (nicht dargestellter) weiterer Temperatursensor ähnlich dem
zur Temperaturkompensation vorgesehenen Temperaturmessfühler 59 in
der Nähe
der aus den magnetischen Widerstandselementen bestehenden Brückenschaltung
des Winkelstellungssensors 56 angeordnet sein. Dies hat
zur Folge, dass einerseits eine Leitung zur Zuführung des der Ventilstellung
des Durchflussregelventils 51 entsprechenden, vom Winkelstellungssensor 56 abgegebenen Positionssignals
zum Regler 58 und andererseits eine Leitung zur Zuführung der
in der Nähe
des Winkelstellungssensors 56 erhaltenen, vom zusätzlich vorgesehenen
Temperaturmessfühler
abgegebenen Temperaturinformation vorgesehen werden müssen, was
den Gesamtaufbau verkompliziert.
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Vorzugsweise
erfolgt die Signalverarbeitung im Regler 58 auf digitaler
Basis, indem Analogsignale, wie das vom Winkelstellungssensor 56 abgegebene
Positionssignal oder die von dem zur Temperaturkompensation vorgesehenen
Temperaturmessfühler 59 abgegebene
Temperaturinformation, von einem Analog/Digital-Umsetzer in Digitalsignale
umgesetzt werden. Das Erfordernis der Analog/Digital-Umsetzung einer Vielzahl
von Eingangssignalen führt
jedoch zu einem Analog/Digital-Umsetzer mit vielen Kanälen und
demzufolge zu hohen Kosten.
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Die
Druckschrift
DE 93
12 612 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Elimination eines
Temperaturgangs in einem Lagegeber, bei dem magnetfeldabhängige Widerstände verwendet
werden.
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Die
Druckschrift
DE 198
52 502 A1 offenbart einen Winkelsensor, bei dem zwei Brückenschaltungen
verwendet werden.
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Die
Druckschrift WO 0150091 A1 offenbart eine Positionsdetektoranordnung,
bei der zwei Brückenschaltungen
zur Temperaturkompensation verwendet werden.
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Die
Druckschrift Infinion Technologies AG, Application Note July 2001, "Magnetic Sensors:
Giant Magneto Resistors",
Seiten 1 bis 18 beschreibt eine Temperaturkompensation von Brückenschaltungen
durch NPC oder NIC-Widerstände.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
für einen
Winkelstellungssensor anzugeben, mit deren Hilfe die Temperatur
des Winkelstellungssensors direkt ermittelt werden kann, ohne getrennt
einen zusätzlichen
Temperatursensor bzw. Temperaturmessfühler vorsehen zu müssen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
gelöst,
wie sie in Patentanspruch 1, 2 oder 3 angegeben ist.
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Insbesondere
umfasst die Temperaturinformations-Detektoreinrichtung für einen
Winkelstellungssensor eine Konstantstrom-Zuführungseinrichtung zur Zuführung eines
Konstantstroms zu einer Brückenschaltung
und eine Temperaturinformations- Detektoranordnung
zur Bildung einer Temperaturinformation in Abhängigkeit von der Temperatur
im Bereich der Brückenschaltung
auf der Basis von Mittelpunktpotentialen von Brückenzweigen der Brückenschaltung.
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Die
Temperaturinformations-Detektoranordnung ermittelt vorzugsweise
Temperaturinformationen in Abhängigkeit
von der Temperatur im Bereich der Brückenschaltung auf der Basis
des Additionsergebnisses der Mittelpunktpotentiale von zwei Brückenzweigen
der Brückenschaltung.
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Erfindungsgemäß wird somit
die Ermittlung von Temperaturinformationen bezüglich der magnetischen Widerstandselemente
des Winkelstellungssensors ermöglicht,
ohne separat einen zusätzlichen Temperatursensor
oder Temperaturmessfühler
vorzusehen.
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Die
erfindungsgemäße Positionsdetektoreinrichtung
umfasst eine Konstantstrom-Zuführungseinrichtung
zur Zuführung
eines Konstantstroms zu einer Brückenschaltung
und eine Temperaturinformations-Detektoranordnung zur Bildung einer
Temperaturinformation in Abhängigkeit
von der Temperatur im Bereich der Brückenschaltung auf der Basis
von Mittelpunktpotentialen der Brückenschaltung.
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Vorzugsweise
ermittelt die Temperaturinformations-Detektoranordnung die Temperaturinformationen
im Bereich der Brückenschaltung
auf der Basis des Additionsergebnisses der Mittelpunktpotentiale
von zwei Brückenzweigen
der Brückenschaltung.
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Erfindungsgemäß wird somit
eine Temperaturkompensation mit hoher Genauigkeit für die Ausgangssignale
des Winkelstellungssensors auf der Basis von Temperaturinformationen
ermöglicht,
die direkt vom Additionsergebnis der Mittelpunktpotentiale von zwei
Brückenzweigen
der Brückenschaltung erhalten
werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Durchflussregelventils, bei dem der Regler
getrennt vom Winkelstellungssensor angeordnet ist und bei dem eine Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
für den Winkelstellungssensor
sowie eine Positionsdetektoreinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung Verwendung finden,
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2 den
Gesamtaufbau eines Systems zur Regelung der Ventilöffnung des
Durchflussregelventils 1 einschließlich der Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
für den
Winkelstellungssensor und der Positionsdetektoreinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 ein
Blockschaltbild eines Durchflussregelventils, bei dem der Regler
nicht getrennt vom Winkelstellungssensor angeordnet ist,
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4 eine
perspektivische Teilansicht des Winkelstellungssensors, und
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5 eine
schematische Darstellung der magnetischen Widerstandselemente.
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In
den Figuren dienen gleiche Bezugszahlen und gleiche Bezugszeichen
zur Bezeichnung gleicher Merkmale, Bauteile und Bauelemente oder
Abschnitte der veranschaulichten Ausführungsbeispiele.
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Nachstehend
wird zunächst
ein erstes Ausführungsbeispiel
näher beschrieben,
das sich auf die Detektion der Ventilöffnung eines Durchflussregelventils
auf der Basis des Ausgangssignals eines Winkelstellungssensors bezieht,
dem ein Konstantstrom zugeführt
wird. Sodann erfolgt eine automatische Regelung auf der Basis des
ermittelten Ventilöffnungs-Istwertes
und des von außerhalb
vorgegebenen Ventilöffnungs-Sollwertes
dahingehend, dass die Ventilöffnung
des Durchflussregelventils mit dem Ventilöffnungs-Sollwert übereinstimmt.
Hierbei erfolgt eine Temperaturkompensation unter Verwendung des
Ausgangssignals des Winkelstellungssensors, ohne daß separat
ein zusätzlicher
Temperatursensor vorgesehen ist.
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1 zeigt
in Form eines Blockschaltbildes das Durchflussregelventil, bei dem
der Regler getrennt vom Winkelstellungssensor angeordnet ist und bei
dem die Temperaturinformations-Detektoreinrichtung für den Winkelstellungssensor
und die Positionsdetektoreinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
Verwendung finden. Das erste Ausführungsbeispiel gemäß 1 unterscheidet
sich vom Stand der Technik gemäß 3 dahingehend,
dass das Gehäuse
des Reglers 8 getrennt vom Gehäuse des Winkelstellungssensors 6 angeordnet
ist, wobei der interne Aufbau des Reglers 8 im übrigen identisch
ist.
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In 1 bezeichnen
die Bezugszahl 1 ein Durchflussregelventil, die Bezugszahl 3 ein
pneumatisches Stellglied, die Bezugszahl 2 einen Ventilbügel, der
das Durchflussregelventil 1 und das pneumatische Stellglied 3 miteinander
verbindet und die Anordnung fixiert, und die Bezugszahl 4 eine
vom pneumatischen Stellglied 3 linear gesteuerte Ventilantriebswelle,
wobei die Ventilöffnung
des Durchflussregelventils 1 in Abhängigkeit von der Aufwärts- und Abwärtsbewegung
der Ventilantriebswelle 4 zur Durchflussregelung eines
Fluids verändert
wird. Die Bezugszahl 5 bezeichnet einen Stift, der in einer
vorgegebenen Position an der Ventilantriebswelle 4 herausragend
angeordnet ist, während
die Bezugszahl 6 einen in einem Bereich des Ventilbügels 2 angeordneten
Winkelstellungssensor bezeichnet, der ein Positionssignal in Abhängigkeit
von der jeweiligen Position der Aufwärts- und Abwärtsverstellung des Durchflussregelventils 1 und
damit in Abhängigkeit von
der Ventilöffnung
abgibt. Der Winkelstellungssensor 6 umfasst eine Anzahl
magnetischer Widerstandselemente, die in Form einer Brückenschaltung angeordnet
sind, wobei zwei gegenüberliegenden Anschlüssen der
Brückenschaltung
ein Konstantstrom zugeführt
wird, während
von den anderen beiden gegenüberliegenden
Anschlüssen
ein Ausgangsstrom abgegriffen wird.
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Die
Bezugszahl 7 bezeichnet einen Rückkopplungshebel, der mit einem
Ende mit der Drehachse des Winkelstellungssensors 6 verbunden
ist und zur Drehung der Drehachse des Winkelstellungssensors 6 auf
einen der Ventilstellung des Durchflussregelventils 1 entsprechenden
Winkel dient. Der Rückkopplungshebel 7 ist
mit einem Schlitz 7a versehen, mit dem der Stift 5 in
gleitendem Eingriff steht. Durch diese mechanische Anordnung, bei
der der Stift der Ventilantriebswelle 4 mit dem an dem
Rückkopplungshebel 7 ausgebildeten
Schlitz 7a in Eingriff steht, wird eine lineare Hin- und
Herbewegung der Ventilantriebswelle 4 in eine Drehbewegung der
bzw. um die Drehachse des Winkelstellungssensors 6 umgesetzt.
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4 zeigt
den Winkelstellungssensor in Form einer perspektivische Teilansicht.
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Wie 4 zu
entnehmen ist, ist ein Winkelstellungssensor 40 an einer
(nicht dargestellten) Befestigungseinrichtung angebracht, wobei
Magnete 61, 62 an der rechten und linken Seite
eines einen magnetischen Kreis bildenden Körpers 65 angeordnet
sind, während
der Mittelpunkt des den magnetischen Kreis bildenden Körpers 65 an
der Drehachse 67 befestigt ist. Der Winkelstellungssensor 40 ist
ein magnetischer Sensor, dessen Widerstandswert sich verändert, wenn
sich die Richtung der an beiden Seiten verlaufenden magnetischen
Kraftlinien bzw. Feldlinien ändert.
Die Pole N, S der Magneten 61, 62 sind derart
angeordnet, dass die magnetischen Kraftlinien bzw. Feldlinien parallel
in Bezug auf die beiden Seiten des Winkelstellungssensors 40 eintreten.
Bei einer Drehung der Drehachse 67 werden die Magnete 61, 62 zusammen
mit dem den magnetischen Kreis bildenden Körper 65 um den Winkelstellungssensor 40 herum
gedreht, wodurch sich die Richtung der in den Winkelstellungssensor 40 eintretenden
magnetischen Feldlinien ändert,
was dazu führt,
dass sich der Widerstandswert des Winkelstellungssensors 40 verändert. Hierdurch
kann der Drehwinkel der Drehachse 67 ermittelt werden.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung magnetischer Widerstandselemente des
Winkelstellungssensors 40.
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Die
magnetischen Widerstandselemente des Winkelstellungssensors 40 sind
auf einem Substrat 49 punktsymmetrisch derart angeordnet,
dass die Zickzackrichtung von vier zickzackförmigen magnetischen Widerstandselementmustern
r1 = r4 senkrecht zueinander verläuft. Beim Anlegen eines Magnetfeldes
z.B. in der in 5 durch einen Pfeil A bezeichneten
Richtung zeigen die parallel zum Magnetfeld verlaufenden magnetischen
Widerstandselementmuster r1, r4 einen maximalen Widerstandswert, während die
senkrecht zum Magnetfeld verlaufenden magnetischen Widerstandselementmuster
r2, r3 einen minimalen Widerstandswert aufweisen. Wenn dagegen das
Magnetfeld in der in 5 durch einen Pfeil B bezeichneten
Richtung angelegt wird, werden entgegengesetzte Ergebnisse erhalten.
Die Brückenschaltung 13 gemäß 2 besteht
aus diesen vier magnetischen Widerstandselementmustern r1 bis r4, wobei
ein Eingangsstrom an zwei einander gegenüberliegende Anschlüsse 51, 55 an
einem Ende der magnetischen Widerstandselementanordnung angelegt
und an zwei einander gegenüberliegenden
Ausgangsanschlüssen 53, 57 am
anderen Ende der magnetischen Widerstandselementanordnung ein Ausgangsstrom
abgegriffen wird. Wie z.B. 4 zu entnehmen
ist, werden bei einer Drehbewegung der Drehachse 67 des
den magnetischen Kreis bildenden Körpers 65 die an beiden
Seiten des Körpers 65 angeordneten
Magnete 61, 63 um die magnetische Widerstandselementanordnung
des Winkelstellungssensors 40 gedreht, wodurch sich die
Widerstandswerte der magnetischen Widerstandselementmuster r1 bis
r4 verändern.
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Die
Bezugszahl 8 bezeichnet den die Einrichtung zur Regelung
der Ventilöffnung
darstellenden Regler, dem von außerhalb Druckluft als Quelle für den Steuerdruck
zur Betätigung
des pneumatischen Stellglieds 3 zugeführt wird, wobei außerdem von
einer Fernsteuerung ein Ventilöffnungs-Sollwert übermittelt
wird. Dem Regler 8 werden einerseits von den Ausgangsanschlüssen der
Brückenschaltung 6 abgegebene
Mittelpunktpotentiale V1, V2 zugeführt, während er andererseits die Eingangsanschlüsse der Brückenschaltung 6 mit
Strom versorgt.
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Es
sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass
der Regler 8 mit der Fernsteuerung kommuniziert und von
ihr auch mit Strom versorgt wird, was über ein mit Strömen von
4 bis 20 mA arbeitendes Übertragungssystem
erfolgt. Zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit dieser (nicht dargestellten) Schaltungsanordnung
ist ein Temperaturmessfühler oder
Temperatursensor 9 vorgesehen.
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2 zeigt
den Aufbau eines Systems zur Steuerung der Ventilöffnung des
Durchflussregelventils 1 mit der Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
für den
Winkelstellungssensor 6 und der Positionsdetektoreinrichtung.
In 2 bezeichnen gleiche Bezugszahlen wie in 1 gleiche
Bauteile, sodass deren erneute Beschreibung entfallen kann.
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In 2 bezeichnet
die Bezugszahl 12 eine Magnetfeld-Generatoreinrichtung zur Erzeugung eines
auf den Winkelstellungssensor 6 einwirkenden Magnetfeldes,
die z.B. aus einem Permanentmagneten bestehen kann, der in Relation
zu der von den magnetischen Widerstandselementen gebildeten Brückenschaltung
drehbar ist. Die Bezugszahl 14 bezeichnet die Brückenschaltung
für den
Winkelstellungssensor 6, bei der auf einer Seite einander
gegenüberliegende
magnetische Widerstandselemente 14, 17 angeordnet
sind, während
auf ihrer anderen Seite einander gegenüberliegende magnetische Widerstandselemente 15, 16 angeordnet
sind. Von einer Konstantstromquelle 20 wird zwei einander
gegenüberliegenden
Anschlüssen
auf einer Seite ein Konstantstrom zugeführt, der über zwei Anschlüsse an der
anderen Seite abgegeben wird.
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Bei
dem Winkelstellungssensor 6 ändert sich der Widerstandswert
eines jeden magnetischen Widerstandselements in Abhängigkeit
von dem Winkel, unter dem der von der Magnetfeld-Generatoreinrichtung 12 erzeugte
Induktionsfluss die magnetischen Widerstandselemente 14 bis 17 schneidet,
wobei über
den Ausgang Mittelpunktpotentiale V1, V2 abgegeben werden. Aus diesem
Grund weist die Magnetfeld-Generatoreinrichtung 12 eine
mechanische Anordnung auf, die entsprechend der Ventilöffnung des
Durchflussregelventils 1 in Relation zu der Brückenschaltung 13 drehbar
ist. Bei dieser mechanischen Anordnung befindet sich der Stift 5 der
Ventilantriebswelle 4 mit dem im Rückkopplungshebel 7 ausgebildeten
Schlitz 7a in Eingriff, wobei ein Ende des Rückkopplungshebels 7 an
der Drehachse des Winkelstellungssensors 6 befestigt ist.
Auf diese Weise wird die lineare Hin- und Herbewegung der Ventilantriebswelle 4 in
eine Drehbewegung der Drehachse des Winkelstellungssensors 6 umgesetzt,
sodass sich die Magnetfeld-Generatoreinrichtung 12 in Relation
zur Brückenschaltung 13 dreht.
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Der
Regler 8 besitzt eine Kommunikationsverbindung nach außen, wobei
ihm auch von außerhalb
Strom zugeführt
wird, was über
eine 4–20 mA-Übertragungsleitung
erfolgt. Eine Signal-Umsetzereinrichtung 29 dient zur Bildung
eines Kommunikationssignals aus dem 4–20 mA-Eingangssignal. Gemäß 2 wird
hierbei ein Sollwert SP gewonnen und einer Steuereinrichtung 26 zugeführt. Eine
Konstantspannungsquelle 28 dient zur Erzeugung einer Konstantspannung
Vcc aus dem 4–20
mA-Eingangssignal. Die (nicht dargestellten) elektrischen Schaltungen
des Reglers 8 werden über
die Konstantspannungsquelle 28 mit Strom versorgt. Eine
Konstantstromquelle 20 dient zur Zuführung eines Konstantstroms
zu der Brückenschaltung 13 des
Winkelstellungssensors 6. Hierbei wird das Ausgangssignal
eines Differenzverstärkers
der Konstantstromquelle 20 einem Ende der Brückenschaltung 13 zugeführt, während das
Signal am anderen Ende A der Brückenschaltung 13 auf
den invertierten Eingang des Differenzverstärkers rückgekoppelt wird, wobei dem nichtinvertierten
Eingang des Differenzverstärkers eine
Referenzspannung Vr zugeführt wird.
Da ein Strom Ic über die Brückenschaltung 13 und
einen Widerstand Rc zu Masse geleitet wird,
nimmt das Potential am Verbindungspunkt A (invertierter Eingang
des Differenzverstärkers)
der Brückenschaltung 13 und des
Widerstands Rc den Wert Rc · Ic an. Der Differenzverstärker steuert sein Ausgangssignal
derart, dass die Spannung am Verbindungspunkt A auf der Referenzspannung
Vr gehalten wird, sodass für
sie die Beziehung Vr = Rc· Ic
gilt, wobei Vr und Rc konstant sind und damit auch der Strom Ic
konstant ist. Die Bezugszahl 21 bezeichnet einen Analog/Digital-Umsetzer,
der die vom Winkelstellungssensor 6 als Analogsignale abgegebenen
Mittelpunktpotentiale V1, V2 in Digitalsignale umsetzt, die Bezugszahl 22 ein
Subtrahierglied zur Bildung der Differenz zwischen den in Digitalsignale
umgesetzten Mittelpunktpotentialen V1, V2, die Bezugszahl 23 ein
Addierglied (Temperaturinformations-Detektoreinrichtung) zur Addition der Mittelpunktpotentiale
V1, V2, die Bezugszahl 24 eine Positionsinformations-Detektoreinrichtung
zur Ermittlung der Ventilstellung des Durchflussregelventils 1, dessen
Ventilöffnung
auf der Basis des Ausgangssignals des Addiergliedes 22 gesteuert
wird, die Bezugszahl 25 eine Temperatur-Kompensationseinrichtung (Temperaturinformations-Detektoreinrichtung) zur
Ermittlung der Temperatur der Brückenschaltung 13 auf
der Basis des Ausgangssignals des Addiergliedes 23 und
zum Ausgleichen der von der Positionsinformations-Detektoreinrichtung 24 ermittelten Ventilstellung
des Durchflussregelventils in Abhängigkeit von der ermittelten
Temperatur, die Bezugszahl 26 eine Steuereinrichtung zur
Berechnung des Regelbetrages bzw. der Regelabweichung der Ventilstellung
des Durchflussregelventils 1 auf der Basis der von der
Positionsinformations-Detektoreinrichtung 24 ermittelten
Iststellung des Durchflussregelventils 1 und eines von
der externen Steuerung bzw. Fernsteuerung zugeführten Sollwertes der Ventilstellung
des Durchflussregelventils 1 und zur Ausgabe des erhaltenen
Wertes als Steuersignal. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel werden die mit
den Bezugszahlen 22 bis 26 bezeichneten Einrichtungen
sämtlich
durch Programme implementiert, die von einer Zentraleinheit ausgeführt werden.
Die Bezugszahl 27 bezeichnet eine elektropneumatische Wandlereinrichtung,
die eine Düse-Prallplatte-Anordnung
in Abhängigkeit
von dem Steuersignal zur Erzeugung des Steuerdrucks aus der zugeführten Druckluft
steuert und den erzeugten Steuerdruck dem pneumatischen Stellglied 3 zuführt.
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Nachstehend
wird näher
auf Betrieb und Wirkungsweise der Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel eingegangen.
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Die
Widerstandswerte der magnetischen Widerstandselemente 14, 17 der
Brückenschaltung 13 des
Winkelstellungssensors 6 lassen sich durch den Ausdruck
R/2 + 2(ΔR·cos2Θ)/2 wiedergeben,
während
sich die Widerstandswerte der magnetischen Widerstandselemente 15, 16 durch
den Ausdruck R/2 – 2(ΔR·cos2Θ)/2 wiedergeben
lassen. Hierbei bezeichnen R die Summe des Maximalwertes und Minimalwertes
der Widerstandswerte der magnetischen Widerstandselemente, ΔR die Differenz
zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Widerstandswerte
der magnetischen Widerstandselemente und Θ den Winkel, bei dem sich die
Längsrichtung
der magnetischen Widerstandselemente mit dem magnetischen Induktionsfluss
schneidet. Bei der Brückenschaltung 13 besteht
die Beziehung (Widerstandswert des magnetischen Widerstandselements 14)
+ (Widerstandswert des magnetischen Widerstandselements 16)
=(Widerstandswert des magnetischen Widerstandselements 15)
+ (Widerstandswert des magnetischen Widerstandselements 17). Der
elektrische Strom Ic/2 fließt
durch eine Schaltungsanordnung, die aus den magnetischen Widerstandselementen 14, 16 besteht,
und durch eine Schaltungsanordnung, die aus den magnetischen Widerstandselementen 15, 17 besteht.
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Der
Winkelstellungssensor 6 gibt somit die Brücken-Mittelpunktpotentiale
V1, V2 als Ausgangssignale ab, die sich durch die Gleichungen V1
= (R·Ic/4) – (ΔR·Ic cos2Θ)/4 und
V2 = (R·Ic/4)
+ (ΔR·Ic·cos2Θ)/4 ausdrücken lassen
und eine von der Temperatur der magnetischen Widerstandselemente abhängige Komponente
sowie eine Komponente enthalten, die vom Winkel Θ abhängt, unter dem sich der von
der Magnetfeld-Generatoreinrichtung erzeugte magnetische Induktionsfluss
und die magnetischen Widerstandselemente schneiden. Hierbei bezeichnet R·Ic/4 die
von der Temperatur der magnetischen Widerstandselemente abhängige Komponente,
während
(ΔR·Ic·cos2Θ)/4 die
von der Temperatur der magnetischen Widerstandselemente und dem
Winkel Θ abhängige Komponente
bezeichnet.
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Die
Brücken-Mittelpunktpotentiale
V1, V2 werden vom Analog/Digital-Umsetzer 21 in Digitalsignale umgesetzt.
Sodann wird die vom Winkel Θ abhängige Komponente
durch Berechnung der Differenz zwischen den digitalen Brücken-Mittelpunktpotentialen
V1, V2 mit Hilfe des Subtrahierglieds 22 ermittelt und
das Subtraktionsergebnis V1 – V2
der Positionsinformations-Detektoreinrichtung 24 zugeführt. Die
Positionsinformations-Detektoreinrichtung 24 ermittelt
die Istwertinformation bezüglich
der Ventilstellung des Durchflussregelventils 1 auf der
Basis des Subtraktionsergebnisses V1 – V2.
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Die
vom Winkelstellungssensor 6 abgegebenen und in Digitalsignale
umgesetzten Brücken-Mittelpunktpotentiale
V1, V2 werden außerdem
dem Addierglied 23 zugeführt, das das Additionsergebnis
V1 + V2 unabhängig
vom Winkel Θ durch
Berechnung der Summe der Brücken-Mittelpunktpotentiale
V1, V2 bildet. Das Additionsergebnis V1 + V2 lässt sich durch den Spannungswert
R·Ic/2
ausdrücken,
der nicht vom Winkel Θ,
sondern nur von der im mittleren Widerstandswert R/2 der temperaturabhängigen magnetischen
Widerstandselemente enthaltenen Temperaturänderung abhängig ist. Diese Spannung ändert sich
in Abhängigkeit
von dem mittleren Widerstandswert R/2 und zeigt ein ähnliches
Verhalten wie im Falle des Fließens
eines Konstantstroms durch einen typischen metallischen Widerstand.
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Das
vom Winkel Θ unabhängige Additionsergebnis
V1 + V2 wird wiederum der Temperaturkompensationseinrichtung 25 zugeführt, durch
die die Temperatur der Brückenschaltung 13 des
Winkelstellungssensors 6 auf der Basis des Spannungswertes R·Ic/2 ermittelt
wird. Sodann wird ein Kompensationswert entsprechend der Temperatur
der Brückenschaltung 13 des
Winkelstellungssensors 6 bestimmt. Dieser Kompensationswert
findet bei der Positionsinformations-Detektoreinrichtung 24 zur
Herbeiführung
einer Kompensation bei der Ermittlung des Istwertes der Ventilöffnung des
Durchflussregelventils 1 Verwendung, wobei der in Proportion
zur Temperatur der Brückenschaltung 13 des
Winkelstellungssensors 6 hervorgerufene Fehler bei der
Ermittlung der Ventilöffnung
unterdrückt
wird.
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Die
Positionsinformations-Detektoreinrichtung 24 führt der
Steuereinrichtung 26 die Ventilstellungsinformation PV
zu, bei der der temperaturproportionale Fehler bereits unterdrückt ist.
Der Steuereinrichtung 26 wird von der externen Steuerung
bzw. Fernsteuerung ein externer Sollwert zugeführt. Die Steuereinrichtung 26 erzeugt
sodann ein Steuersignal auf der Basis der Differenz zwischen dem
externen Sollwert und der Ventilstellungsinformation PV und führt dieses
Steuersignal der elektropneumatischen Wandlereinrichtung 27 zu.
Die elektropneumatische Wandlereinrichtung 27 steuert ihrerseits
ein Druckluft-Magnetventil
in Abhängigkeit
vom zugeführten
Steuersignal und bildet aus der separat zugeführten Druckluft einen Steuerdruck,
der dem pneumatischen Stellglied 3 zugeführt wird.
Das pneumatische Stellglied 3 verstellt die Ventilantriebswelle 4 mit Hilfe
des Steuerdrucks aufwärts
oder abwärts
zur automatischen Einregelung der Ventilstellung des Durchflussregelventils 1 auf
eine dem externen Sollwert entsprechende Ventilöffnung.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ermöglicht somit
die Verwendung der vom Winkelstellungssensor 6 zur Ermittlung der
Ventilöffnung
des Durchflussregelventils 1 abgegebenen Mittelpunktpotentiale
V1, V2 der Brückenzweige
der Brückenschaltung 13 auch
die Ermittlung der Temperatur der Brückenschaltung 13. Auch
wenn somit das erste Ausführungsbeispiel
im Falle einer Anordnung Verwendung findet, bei der der Winkelstellungssensor 6 getrennt
vom Regler 8 angeordnet ist, kann die Temperatur des Winkelstellungssensors 6 direkt
ermittelt werden, ohne separat einen zusätzlichen Temperatursensor zur
Ermittlung einer Temperaturinformation bezüglich des Winkelstellungssensors 6 vorsehen
zu müssen.
Hierdurch lässt
sich der Aufbau des Reglers 8 weiter vereinfachen. Außerdem entfallen
Kabel bzw. Leitungen zur Zuführung
der Temperaturinformation zum Regler 8, wodurch sich ebenfalls
der Aufbau einschließlich
der Verdrahtung vereinfacht.
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Auf
Grund des vorstehend beschriebenen Aufbaus, bei dem die Temperatur
der Brückenschaltung 13 unter
Verwendung der Mittelpunktpotentiale V1, V2 der Brückenzweige
der Brückenschaltung 13 direkt
ermittelt wird, kann erfindungsgemäß eine Temperaturkompensationseinrichtung
für den
Winkelstellungssensor zur Verfügung
gestellt werden, durch die eine Temperaturkompensation mit hoher Genauigkeit
realisierbar ist. Außerdem
wird eine Positionsinformations-Detektoreinrichtung
erhalten, mit deren Hilfe eine Durchflussregelung mit hoher Genauigkeit
erzielbar ist.
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Da
die Temperatur der Brückenschaltung 13 unter
Verwendung der vom Winkelstellungssensor zur Ermittlung der Ventilstellung
des Durchflussregelventils 1 abgegebenen Mittelpunktpotentiale
V1, V2 der Brückenzweige
ermittelt werden kann, muss der im Regler 8 vorgesehene
Analog/Digital-Umsetzer 21 lediglich einen Kanal zur Umsetzung der
Mittelpunktpotentiale V1, V2 der Brückenzweige in Digitalsignale
aufweisen. Anders als beim Stand der Technik, ist somit nicht sowohl
ein Kanal zur Umsetzung der vom Winkelstellungssensor 6 abgegebenen
Mittelpunktpotential V1, V2 der Brückenzweige in Digitalsignale
als auch ein Kanal zur Umsetzung der vom Temperatursensor abgegebenen
Temperaturinformation in Digitalsignale erforderlich. Hierdurch
lassen sich die Temperaturinformations-Detektoreinrichtung für den Winkelstellungssensor
und die Positionsinformations-Detektoreinrichtung
mit geringeren Kosten herstellen.
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Weiterhin
ermöglicht
die Verwendung des Additionsergebnisses der vom Winkelstellungssensor 6 zur
Ermittlung der Ventilstellung des Durchflussregelventils 1 abgegebenen
Mittelpunktpotentiale V1, V2 der Brückenzweige der Brückenschaltung 13 die
Ermittlung der Temperatur der Brückenschaltung 13.
Somit kann eine Software-orientierte Datenverarbeitung unter Verwendung
einer Programmausrüstung
wie einer Rechen-Software durchgeführt werden, ohne auf Bauteile,
wie einen Temperatursensor, zurückgreifen
zu müssen,
wodurch sich die Flexibilität
und Vielseitigkeit der Einrichtung erhöht.
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Obwohl
im Rahmen der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels ein Aufbau
in Betracht gezogen worden ist, bei dem der Regler 8 in
der in 1 dargestellten Weise in einem anderen Gehäuse getrennt
vom Winkelstellungssensor 6 angeordnet ist, so ist die
Erfindung selbstverständlich
nicht auf diesen Fall beschränkt.
Die Anwendung der Erfindung auf den in 3 dargestellten
Fall der Anordnung des Reglers 8 und des Winkelstellungssensors 6
im gleichen Gehäuse
gewährleistet
präzisere
Messungen mit Hilfe des Winkelstellungssensors 6. Außerdem besteht
die Möglichkeit,
den Winkelstellungssensor 56 als Temperatursensor zu verwenden, sodass
der Temperatursensor 59 entfallen kann.
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Wie
vorstehend beschrieben, dient somit eine Temperaturinformations-Detektoreinrichtung
für einen
Winkelstellungssensor 6 zur alleinigen Ermittlung von temperaturabhängigen Komponenten
auf der Basis von Mittelpunktpotentialen V1, V2 einer mit einem
Konstantstrom gespeisten Brückenschaltung 13 für den Winkelstellungssensor 6,
zur Gewinnung einer Temperatur des Winkelstellungssensors 6 aus den
temperaturabhängigen
Komponenten, zur Bildung einer der gewonnenen Temperatur entsprechenden
Kompensationsinformation, ohne separat einen zusätzlichen Temperatursensor vorzusehen, sowie
zur. Durchführung
einer Temperaturkompensation am Ausgangssignal des Winkelstellungssensors 6 bei
der automatischen Regelung der Ventilöffnung eines Durchflussregelventils 1.