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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Ventile und insbesondere
auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufsatzdetektion und
zum weichen Aufsetzen in einem Ventil, welches ein Element aufweist,
welches mittels einer piezoelektrischen Einheit angetrieben wird.
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Hintergrund
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Piezoelektrische
Materialien ändern
ihre Form als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld. Ein
elektrisches Feld, das in Richtung der Polarisation des Materials
angelegt wird, bewirkt eine Expansion des Materials in der gleichen
Richtung, während
eine Spannung, welche in der der Polarisation entgegengesetzten
Richtung angelegt wird, eine Kontraktion des Materials in der gleichen
Richtung bewirkt. Piezoelektrische Biegeeinrichtungen oder Bieger,
welche thermisch, mechanisch oder auf andere Weise vorgespannt sein
können
wie vorgespannte Bieger, wie sie in den US-Patenten Nr.
5,471,721 und
5,632,841 offenbart sind, nutzen die "Biege"-Wirkung des piezoelektrischen Materials,
um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. In solchen
Anwendungen kann der Bieger als ein Betätiger oder Aktuator verwendet
werden. Bei anderen Anwendungen kann eine äußere Kraft einen Biegevorgang
oder eine mechanische Energie auf den Bieger ausüben, und der Bieger konvertiert dann
mechanische Energie in elektrische Energie. Bei solchen Anwendungen
kann der Bieger als Sensor verwendet werden.
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Bei
elektrohydraulischen Ventilen, welche ein Ventilelement und eine
Kontaktoberfläche
aufweisen, sind piezoelektrische Einheiten dazu benutzt worden,
das Ventilelement relativ zur Kontaktoberfläche zu aktivieren, so wie bei
einem Stopp oder einem Aufsitz. Im Betrieb verformt sich die piezoelektrische Einheit
in Reaktion auf ein Steuersignal, wie beispielsweise ein Spannungseingangssignal,
welches an die piezoelektrische Einheit angelegt wird, um das Element
entweder zur Kontaktoberfläche
hin oder von ihr weg zu bewegen. Typischerweise ist es vorteilhaft
zu wissen, wann das Element die Kontaktoberfläche erreicht hat, d.h. eine
Aufsatzdetektion. Dies ist insbesondere wichtig bei Proportionalventilen,
bei denen die Position des Elementes relativ zur Kontaktoberfläche bestimmt
und gesteuert werden sollte, um den gewünschten Durchfluss von Flüssigkeit
durch das Ventil bereitzustellen.
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Die
Detektion des Ventilsitzes ist auch wünschenswert bei der Anwendung
von Techniken zum weichen Aufsetzen. Die piezoelektrische Einheit muss
so angetrieben werden, dass das Element eine ausreichende Distanz
bewegt wird, um die Kontaktoberfläche zu berühren und abzudichten, um den
Flüssigkeitsdurchfluss
zu steuern, aber, vorzugsweise, ohne das Element hart auf der Kontaktoberfläche aufzusetzen.
Wenn das Element mit übergroßer Geschwindigkeit
und Kraft zur Kontaktoberfläche
hin bewegt wird, können
vergleichsweise harte Aufstöße vorkommen,
und die Kontaktoberfläche
und/oder die Spitze des Elementes können sich im Laufe der Zeit abnutzen.
Solch ein Aufprallen auf die Kontaktoberfläche kann auch dazu führen, dass
das Element von der Kontaktoberfläche zurückspringt, so dass ein geeignetes
Steuern des Flüssigkeitsdurchflusses
nicht erreicht wird. Weiterhin kann eine ungeeignete Steuerung oder
Kontrolle der Ventilposition und Ventilgeschwindigkeit die Lebensdauer
des Betätigers
reduzieren und zu einem unerwünschten
Kontrollverlust über
den Flüssigkeitsdurchfluss
durch das Ventil führen.
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In
der Vergangenheit haben Ventile Positions- oder Kraftsensoren aufgewiesen,
welche unabhängig
vom Betätiger
betrieben wurden, um ein weiches Aufsitzen des Elementes auf der
Kontaktoberfläche
zu gewährleisten.
Typischerweise wird beim weichen Aufsetzen ein elektronischer Ventilcontroller verwendet,
um das Aufsetzen des Ventilelementes auf der Kontaktoberfläche durch
eine Verminderung der Geschwindigkeit des Elementes zu steuern,
während
es aufsetzt und die Kontaktoberfläche berührt. Positionssensoren überwachen
die Position des Elementes relativ zur Kontaktoberfläche und
leiten diese Information zum Controller weiter, welcher dann die Geschwindigkeit
des Elementes steuert, während dieses
sich in Richtung der Kontaktoberfläche bewegt. Lastsensoren überwachen
die durch das Element auf die Kontaktoberfläche aufgebrachte Last und leiten
diese Information an den Controller weiter, welcher sodann die Last,
d.h. die Kontaktkraft, welche auf die Kontaktoberfläche aufgebracht
wird, steuert, um eine Abnutzung zu reduzieren. Jedoch sind die
bekannten Positions- und Lastsensoren relativ groß, komplex
und/oder teuer und sind nicht gut für viele elektrohydraulische
Ventilanwendungen geeignet, welche eine akkurate und verlässliche
Ventilposition und Ventilgeschwindigkeit benötigen.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine oder mehrere der
oben ausgeführten
Probleme zu lösen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einer ersten Ausführungsform
ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Ventilelements
relativ zu einer Kontaktoberfläche
des Ventils offenbart. Das Element ist wirkend mit einem Betätiger oder
Aktuator verbunden. Die Vorrichtung umfasst eine Betätiger-Steuerschaltung,
welche wirkend mit dem Betätiger
verbunden ist und welche so betreibbar ist, dass sie ein Steuersignal
an den Betätiger
senden kann, um das Element relativ zur Kontaktoberfläche zu bewegen
und so betreibbar, dass ein Ausgangssignal vom Betätiger produziert
wird, und eine Schaltung zur Aufsatzdetektion, welche wirkend mit
der Betätiger-Steuerschaltung
verbunden ist und welche so betreibbar ist, dass sie den Kontakt
des Elements mit der Kontaktoberfläche aus dem Ausgangssignal
bestimmen kann, wobei der Betätiger eine
piezoelektrische Einheit ist.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird eine Vorrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit eines Ventilelements
relativ zur Kontaktoberfläche
des Ventils offenbart. Das Element ist wirkend mit einem Betätiger verbunden.
Die Vorrichtung umfasst eine Betätiger-Steuerschaltung,
welche wirkend mit dem Betätiger
verbunden ist und so betreibbar ist, dass sie ein Steuersignal an
den Betätiger
anlegen kann, um das Element relativ zur Kontaktoberfläche zu bewegen
und auch so, dass ein Ausgangssignal vom Betätiger produzierbar ist; eine
Schaltung zur Aufsatzdetektion, welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung
verbunden ist und welche so betreibbar ist, dass ein Kontakt des
Elements mit der Kontaktoberfläche
aus dem Ausgangssignal bestimmbar ist; und eine Geschwindigkeitssteuerschaltung,
welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung
gekoppelt ist und welche so betreibbar ist, dass eine Eingabe oder
ein Input an die Betätiger-Steuerschaltung gesendet
werden kann, wobei die Betätiger-Steuerschaltung
die Geschwindigkeit des Elements aus dem Eingangssignal steuert,
wobei der Betätiger
eine piezoelektrische Einheit ist.
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In
einer dritten Ausführungsform
wird ein Ventil offenbart. Das Ventil umfasst einen Betätiger, welcher
eine piezoelektrische Einheit umfasst, welche wiederum ein oder
mehrere vorgespannte elektroaktive Bieger aufweist; ein mit dem
Betätiger
wirkend verbundenes Element; eine Kontaktoberfläche, wobei das Element so betreibbar
ist, dass es relativ zur Kontaktoberfläche bewegt werden kann und
die Kontaktoberfläche
kontaktieren kann; und ein Steuersystem, das wirkend mit dem Betätiger zur
Bestimmung einer Position des Elementes relativ zur Kontaktoberfläche verbunden
ist.
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In
einer vierten Ausführungsform
ist ein Ventil offenbart. Das Ventil umfasst einen Betätiger, welcher
eine piezoelektrische Einheit aufweist, die eine oder mehrere vorgespannte
elektroaktive Bieger aufweist; ein mit dem Betätiger wirkend verbundenes Element;
eine Kontaktoberfläche,
wobei das Element betreibbar ist, um sich relativ zur Kontaktoberfläche zu bewegen
und um die Kontaktoberfläche
zu kontaktieren; und ein Steuersystem, welches wirkend mit dem Betätiger zum
Steuern der Geschwindigkeit des Elements relativ zur Kontaktoberfläche verbunden ist.
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In
einer fünften
Ausführungsform
ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Ventilelements relativ
zu einer Ventilkontaktoberfläche,
wobei das Element wirkend mit einem Betätiger verbunden ist, offenbart.
Das Verfahren umfasst ein Anlegen eines Steuersignals an den Betätiger, um
das Element dazu zu führen,
sich relativ zur Kontaktoberfläche
zu bewegen; Bestimmen eines Ausgangssignals des Betätigers;
und Bestimmen des Kontakts des Elements mit der Kontaktoberfläche aus
dem Ausgangssignal.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften, mittels einer
piezoelektrischen Einheit angetriebenen Ventils, einschließlich eines Steuersystems
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Blockschaltdiagramm des Steuersystems, welches in 1 gezeigt
ist, welches eine Aufsatzdetektion in Übereinstimmung mit einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bietet;
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3(a) und 3(b) sind
Graphen, welche die ausgegebene Spannung der piezoelektrischen Einheit,
aufgetragen gegen die Zeit, für
eine freie bzw. eine blockierte Bewegung der piezoelektrischen Einheit
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung illustrieren; und
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4 ist
ein Blockdiagramm des Steuersystems aus 1, welches
einen weichen Aufsatz in Übereinstimmung
mit einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung bereitstellt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Das
Folgende ist eine detaillierte Beschreibung der besten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit ausreichenden Details, um dem Fachmann
zu erlauben, die vorliegende Erfindung herzustellen und zu nutzen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die hierin offenbarten
und beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt.
Im Gegenteil kann die vorliegende Erfindung all solche alternativen
Ausführungsformen
und Äquivalente
umfassen, welche in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen,
so wie diese in den angehängten
Ansprüchen definiert
ist.
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1 illustriert
ein elektrohydraulisches Ventil 10 in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Ventil 10 ist dargestellt
als ein Absperrventil, aber es könnte
auch jeder andere bekannte Stand der Technik sein, einschließlich beispielsweise
eines Kugelventils, eines Kolbenventils oder eines Tellerventils. Zusätzlich könnte das
Ventil 10 ein Zweiwegeventil oder Mehrwegeventil sein,
ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Ventil 10 umfasst mindestens
eine Kontaktoberfläche 12.
Die Kontaktoberfläche 12 kann
aus einem Sitz an einem Ende einer Flüssigkeitsdurchführung 14 bestehen;
alternativ kann die Kontaktoberfläche 12 aus einem Stopper bestehen.
Das Ventil 10 umfasst weiterhin einen Betätiger 16,
welcher vorzugsweise eine piezoelektrische Einheit ist, ein Ventilelement 18,
welches mit dem Betätiger 16 verbunden
ist, und ein Betätiger-Steuersystem 20,
welches mit dem Betätiger 16 zur
Bewegung des Elements 18 relativ zur Kontaktoberfläche 12 gekoppelt
ist.
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Die
als Betätiger 16 verwendete
piezoelektrische Einheit umfasst vorzugsweise ein oder mehrere vorgespannte
elektroaktive Bieger, welche thermisch, mechanisch oder durch andere
Arten vorgespannt sind, welche ihre Form dadurch ändern, dass sie
in entgegengesetzten axialen Richtungen als Reaktion auf ein vom
Steuersystem 20 ausgesandtes Signal deformieren. Einzelne
Bieger können
in ein einzelnes viellagiges Element gestapelt oder zusammengefügt sein.
Das Steuersignal kann ein Spannungssignal sein, welches vom Steuersystem 20 zum
Betätiger 16 durch
ein Paar elektrischer Leitungen 22a und 22b (wie
in 2 gezeigt) geleitet wird. Alternativ kann der
Betätiger 16 mittels
eines vom Steuersystem 20 ausgehenden Stromsignals gesteuert
werden.
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Die
piezoelektrische Einheit kann rund, rechteckig, quadratisch oder
von irdendeiner anderen regulären
oder irregulären
Form sein, obwohl eine runde Form bevorzugt wird, und umfasst mindestens
eine elektroaktive Schicht (nicht gezeigt), welche zwischen einem
Elektrodenpaar (nicht gezeigt) oder zwischen anderen Vorrichtungen
zur Spannungslieferung an die elektroaktive Schicht, positioniert
ist. Andere Konfigurationen sind ebenfalls möglich, ohne vom Erfindungshorizont
abzuweichen. In einem entladenen oder statischen Zustand ist die piezoelektrische
Einheit vorzugsweise so vorgespannt, dass sie eine, wie gestrichelt
in 1 gezeigt, gewölbte
Konfiguration aufweist. Wenn die Elektroden geladen werden, um die
piezoelektrische Einheit in einen angesteuerten Zustand zu versetzen, wie
beispielsweise dann, wenn ein Spannungs- oder Strom-Steuersignal
durch das Steuersystem 20 angelegt wird, verschiebt sich
die piezoelektrische Einheit axial in Bezug auf ihren statistischen
Zustand durch Abflachung oder weitere Wölbung, jeweils abhängig vom
Vorzeichen der angelegten Ladung.
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Wie
in 1 gezeigt, ist das Element 18 vorzugsweise
von der Kontaktoberfläche 12 entfernt
positioniert, wenn die piezoelektrische Einheit oder der Betätiger 16 in
der gewölbten
Konfiguration ist. Während
der Betätiger 16 in
Reaktion auf das vom Steuersystem 20 angelegte Steuersignal
verflacht, wird das Element 18 in Richtung und in Kontakt
mit der Kontaktoberfläche
bewegt, um den Flüssigkeitsdurchgang 14 abzudichten.
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Wie
in 2 gezeigt, kann das Steuersystem 20 den
Aufsatz des Elements 18, d.h. den Kontakt des Elements 18 mit
der Kontaktoberfläche 12, detektieren.
Das Steuersystem 20 umfasst vorzugsweise eine Betätiger-Steuerschaltung 24 und
eine Aufsatz-Detektionsschaltung 26. Die Betätiger-Steuerschaltung 24 ist
vorzugsweise mit dem Betätiger 16 über elektrische Leitungen 22a und 22b verbunden, über welche
die Betätiger-Steuerschaltung 24 ein Spannungs-
oder Stromsignal an den Betätiger 16 anlegt,
um die Bewegung der piezoelektrischen Einheit zu steuern. Die Betätiger-Steuerschaltung 24 erhält ein Ladungssignal
am Anschluss 28 und ein Entladungssignal am Anschluss 30,
so wie es vom Steuersystem 20 bestimmt wird, wodurch die
Schaltung 24 das aktuelle, an den Betätiger 16 anzulegende
Signal bestimmt. Die Betätiger-Steuerschaltung 24 gibt eine
Betätigerspannung
am Anschluss 32 aus, welche die tatsächliche Echtzeitspannung, welche
vom Betätiger 16 erzeugt
wird, anzeigt.
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Die
in den 3(a) und 3(b) gezeigten
Figuren illustrieren die Spannungsausgabe des Betätigers am
Anschluss 32 von der Betätiger-Steuerschaltung 24. 3(a) zeigt einen Spannungsverlauf 34,
welcher die freie Bewegung der piezoelektrischen Einheit repräsentiert,
d.h., wenn der Betätiger 16 aufgeladen
wird, um eine Position im freien Raum zu erreichen. Der Betätiger 16 spricht
wie ein Feder/Massen-System an, schießt über seine Position hinaus und
oszilliert für
eine gewisse Zeit. Während der
Betätiger 16 oszilliert
und seine Form ändert,
oszilliert auch der Spannungsein- und -ausgang der piezoelektrischen
Einheit, bis der Betätiger
einen Gleichgewichtszustand erreicht. 3(b) zeigt
einen Spannungsverlauf 36, der eine blockierte Bewegung der
piezoelektrischen Einheit zeigt, d.h., wenn das Element 18 auf
die Kontaktoberfläche 12 trifft.
Wenn der Aufprall geschieht, ändert
sich die Amplitude der Betätigerspannung
abrupt, wie gezeigt durch die Amplitudenspitzen bei 38a und 38b.
Wenn das Element 18 von der Kontaktoberfläche 12 zurückprallt
und wieder aufspringt, ändert
sich die Amplitude der Spannung wiederum abrupt wie bei 42a und 42b gezeigt,
und die Oszillationen verschwinden mit der Zeit, wenn der Betätiger 16 einen
Gleichgewichtszustand in Kontakt mit der Kontaktoberfläche 12 erreicht.
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Die
Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion erhält die Betätigerspannung am Anschluss 32,
d.h. den Spannungsverlauf 34 oder 36, wie in 3 gezeigt, und gibt eine Detektion des
Aufsatzes an den Anschluss 48 weiter, anzeigend, dass das
Element 18 auf die Kontaktoberfläche 12 aufgetroffen ist.
Die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion umfasst vorzugsweise
einen Differenzierer 44 und einen Schwellwertdetektor 46.
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Der
Differenzierer 44, der dem Fachmann bekannt ist, ist betreibbar
zum Messen der augenblicklichen Änderungsrate
der Betätigerspannung, welche
am Anschluss 32 empfangen wird. Alternativ kann der Differenzierer 44 eine Änderungsrate
im Frequenzbereich oder jedes andere Merkmal der Betätigerspannung 32,
welche den Aufprall des Elements 18 mit der Kontaktoberfläche 12 repräsentiert, messen.
Der Schwellwertdetektor 46, der dem Fachmann bekannt ist,
empfängt
die Änderungsrate
vom Differenzierer 44 und wertet das Signal auf abrupte Änderungen 38a oder 38b aus,
welche einen Hinweis auf den anfänglichen
Aufprall des Elementes 18 auf der Kontaktoberfläche 12 liefern.
Vorzugsweise filtert der Schwellwertdetektor 46 das vom
Differenzierer 44 empfangene Signal und vergleicht das
gefilterte Signal mit einem vorbestimmten Wert, wobei der vorbestimmte
Wert eine Änderung
in der Spannungsamplitude ist, welche einen Hinweis auf den Aufprall liefert.
Wenn die vom Differenzierer 44 empfangene Änderungsrate
ausreichend groß ist
und den vorbestimmten Wert überschreitet,
wird der Aufprall des Elements 18 und der Kontaktoberfläche 12 als
erfolgt angenommen. Die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion
gibt dann die Detektion des Aufsatzes am Anschluss 48 weiter,
anzeigend, bei welcher Betätigerspannung
das Element 18 und die Kontaktoberfläche 12 aufprallten.
Natürlich
wird auch anerkannt, dass andere Ausgabe-Merkmale des Betätigers 16,
so wie eine Spannung oder Ladung, ausgewertet werden können, um
den Aufprall des Elements 18 auf der Kontaktoberfläche 12 zu
detektieren, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nun
in Bezug auf 4, wird eine zweite Ausführungsform
des Steuersystems, identifiziert als Steuersystem 200,
gezeigt, wobei gleiche Ziffern gleiche Teile des Steuersystems 20 aus 2 repräsentieren.
In dieser Ausführungsform
ermöglicht
das Steuersystem 200 sowohl eine Aufsatzdetektion als auch
ein weiches Aufsetzen des Elementes 18. Das Steuersystem 200 verwendet
die Betätigerladung bzw.
-ladungsmenge, welche in dem vorhergehenden Betätigungszyklus bestimmt worden
ist, um die Geschwindigkeit oder die Ladung bzw. Ladungsmenge des
Betätigers 16 im
jetzigen Zyklus zu steuern.
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Das
Steuersystem 200 umfasst eine Schaltung 202 zur
Positionssteuerung, welche mit der Betätiger-Steuerschaltung 24 und
mit der Schaltung zur Detektion des Ventilsitzes 26 verbunden
ist, um die Position des Elements 18 relativ zur Steueroberfläche 12 zu
bestimmen. Das Steuersystem 200 umfasst weiterhin eine
Geschwindigkeits-Steuerschaltung 203, welche mit der Positions-Steuerschaltung 202 und
mit der Betätiger-Steuerschaltung 24 verbunden
ist. Die Positionssteuerschaltung 202 umfasst einen Stromintegrator 204,
der betreibbar ist, um den Betätigerstrom
am Anschluss 205 zu empfangen und zu integrieren, was den
durch den Betätiger
oder die piezoelektrische Einheit fließenden Strom anzeigt, um eine
an der piezoelektrischen Einheit anliegende Ladung zu bestimmen
und um eine Betätigerladung
am Anschluss 208 auszugeben. Die Positions-Steuerschaltung 202 umfasst
weiterhin einen Datenspeicher oder eine andere Speichereinheit 206,
welche die Betätigerladung
am Anschluss 208 vom Stromintegrator 204 empfängt und
einen Wert speichert, der die an der piezoelektrischen Einheit vorhandene
Ladung repräsentiert,
wenn das Element 18 auf der Kontaktoberfläche 12 aufgeprallt
ist.
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Weiterhin
ist die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion, wie in Verbindung
mit 2 beschrieben, betreibbar, um eine Aufsatzdetektion
am Anschluss 48 auszugeben, welche von der Speichereinheit 206 empfangen
wird. In Reaktion auf das Empfangen der Ausgabe bezüglich der
Aufsatzdetektion am Anschluss 48 durch die Schaltung 26 zur
Aufsatzdetektion, speichert die Speichereinheit 206 die
gleichzeitige Betätigerladung
vom Anschluss 208, d.h. den Wert, der die auf der piezoelektrischen
Einheit 16 existierende Ladung repräsentiert, wenn die Aufsatzdetektion
aufgetreten ist. Daher wird die Ladung, welche an der piezoelektrischen
Einheit vorhanden ist, wenn die Position des Elements 18 bekannt
ist, gespeichert, so dass die Ladung beim nächsten Betätigungszyklus verwendet werden
kann, um die Position des Elementes 18 zu bestimmen.
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Die
Positions-Steuerschaltung 202 umfasst weiterhin einen Komparator 216,
der betreibbar ist, um eine gewünschte
Ladung am Anschluss 218 von der Speichereinheit 206 zu
empfangen, welche äquivalent
zu der während
des vorhergehenden Zyklus gespeicherten Ladung ist und mit der gewünschten Position
des Elements 18 korrespondiert, d.h. bei der das Element 18 und
die Kontaktoberfläche 12 in
Kontakt sind. Der Komparator 216 ist weiter so betreibbar,
dass er die Betätigerladung
am Anschluss 220 empfängt,
d.h. die an der piezoelektrischen Einheit während des jetzigen Zyklus vorhandene
Ladung. Der Komparator 216 ist betreibbar, um die gewünschte Ladung
vom Anschluss 218 mit der Betätigerladung vom Anschluss 220 zu
vergleichen. Der Komparator 216 gibt einen Betätigerladungsfehler
am Anschluss 222 aus, welcher den Unterschied zwischen der
gewünschten
Ladung an der piezoelektrischen Einheit, d.h. der Position des Elements 18,
an der dieses zuletzt die Kontaktoberfläche 12 kontaktiert hat,
und der aktuellen Ladung an der piezoelektrischen Einheit, d.h.
der jetzigen Position des Elements 18, aus. Somit repräsentiert
der Betätigerladungsfehler,
welcher von der Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 empfangen
wird, die jetzige Position des Elements 18 relativ zur
Kontaktoberfläche 12.
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Die
Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 ist vorzugsweise eine
eindimensionale Abbildung, wie beispielsweise eine Suchtabelle,
ein Polynom oder eine andere Funktion, und nutzt den Betätigerladungsfehler,
um die geeignete Geschwindigkeit des Elements 18 basierend
auf der relativen Position des Elements 18 zu bestimmen.
Die Schaltung 203 gibt eine Betätigerladungsrate am Anschluss 224 an
die Betätiger-Steuerschaltung 24 aus,
um die Ladungsrate der piezoelektrischen Einheit und damit ihre
Geschwindigkeit und die des Elements 18 zu steuern. Die
Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 umfasst ein vorbestimmtes
Geschwindigkeitsprofil, welches in Bezug gesetzt ist zum Betätigerladungsfehler
oder zu der relativen gegenwärtigen
Position des Elements 18 in Bezug auf die gewünschte Geschwindigkeit
des Elements 18. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 203 bestimmt
die gewünschte
Geschwindigkeit und gibt eine Betätigerladungsrate an den Anschluss 224 aus.
Während
die Geschwindigkeit des Elements 18 proportional zur Ladungsrate
an der piezoelektrischen Einheit ist, kann die Betätigerladungsrate
von der Betätiger-Steuerschaltung 24 dazu
benutzt werden, um die Ladungsrate an der piezoelektrischen Einheit
zu verringern, während
das Element 18 sich der Kontaktoberfläche 12 nähert, wodurch
die Aufprallkraft verringert wird.
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Beim
Betrieb des Steuersystems 200 aus 4 empfängt die
Betätiger-Steuerschaltung 24 das
Aufladungskommando am Anschluss 26. In Reaktion auf das
Aufladekommando lädt
die Betätiger-Steuerschaltung 24 die
piezoelektrische Einheit kontinuierlich auf, um das Element 18 relativ
zur Kontaktoberfläche 12 zu
bewegen. In einer Ausführungsform
bewegt die Betätiger-Steuerschaltung 24 das Element 18 in
Reaktion auf das Aufladekommando in Richtung der Kontaktoberfläche 12.
Während
eines ersten Betätigungszyklus' wird die Ausgangsspannung,
oder die Betätigerspannung
am Anschluss 32, der piezoelektrischen Einheit an die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion
ausgegeben. Das Element 18 bewegt sich kontinuierlich in
Richtung der Kontaktoberfläche,
bis die Schaltung zur Aufsatzdetektion 26 den Aufprall
des Elements 18 auf der Kontaktoberfläche 12 durch eine
abrupte Änderung
in der Amplitude der Ausgangsspannung, wie beispielsweise in 38a und 38b in 3 gesehen, detektiert. Nach dem Bestimmen,
dass die abrupte Änderung
ausreichend groß ist,
um einen Aufprall zwischen dem Element 18 und der Kontaktoberfläche 12 anzuzeigen,
gibt die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion auch die Aufsatzdetektion
am Anschluss 48 an die Speichereinheit 206 aus, welches
die Speichereinheit 206 dazu führt, die Betätigerladung
vom Anschluss 208 abzuspeichern, d.h. den Wert, welcher
die an der piezoelektrischen Einheit 16 vorhandene Lage
repräsentiert,
wenn das Element 18 auf der Kontaktoberfläche 12 aufprallt. Die
Speicherung dieser Ladung 208 beendet den ersten Ventil-Betätigungszyklus.
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Während eines
zweiten Ventilbetätigungszyklus' wird die in der
Speichereinheit 206 aus dem vorhergegangenen Zyklus gespeicherte
Ladung an den Komparator 216 als die am Anschluss 218 gewünschte Ladung
ausgegeben. Der Komparator 216 vergleicht dieses Signal
mit der am Anschluss 220 anliegenden Betätigerladung,
welche die am Betätiger 16 während des
aktuellen Zyklus' anliegende
Ladung repräsentiert.
Der Komparator 216 gibt die Differenz der gewünschten
und der Betätigerladungen an
die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 am Anschluss 222 als
den Betätigerladungsfehler
aus. Von der die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 umfassenden
Darstellung wird eine Betätigeränderungsrate,
welche mit dem ermittelten Betätigerladungsfehler korrespondiert,
bestimmt und am Anschluss 224 an die Betätiger-Steuerschaltung 24 ausgegeben.
Die Betätigerladungsrate
wird von der Betätiger-Steuerschaltung 24 verwendet,
um die Ladungsrate an der elektrischen Einheit zu steuern und somit
die Geschwindigkeit des Elements 18. Dadurch kann die Geschwindigkeit
des Elements 18 justiert werden, um das Element 18 abzubremsen,
während
es sich der Kontaktoberfläche 12 nähert und
auf diese aufprallt, und erlaubt somit ein weiches Aufsetzen des Elements 18.
Wenn das Element 18 die Kontaktoberfläche 12 kontaktiert,
sendet die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion eine Aufsatzdetektion
an den Anschluss 48, eine neue Betätigerladung wird in der Speichereinheit 206 gespeichert,
und der Zyklus beginnt von neuem.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Im
Gebrauch ist es günstig,
dass das Steuersystem 20 oder 200 in der Lage
ist, das Element 18 in Kontakt mit der Kontaktoberfläche 12 in
Reaktion auf das Aufladekommando 26 zu bewegen. Das Steuersystem 20 ist
weiterhin betreibbar, um zu bestimmen, wann das Ventilelement 18 auf
die Kontaktoberfläche 12 aufprallt.
Das Steuersystem 200 ist weiterhin betreibbar, um die Position
des Elements 18 relativ zur Kontaktoberfläche zu bestimmen.
Der Komparator 216 der Positionssteuerschaltung 202 vergleicht
die gewünschte
Ladung, welche aus dem vorhergehenden Betätigungszyklus bestimmt worden
ist, mit der zur Zeit an der piezoelektrischen Einheit anliegenden
Ladung und gibt die Differenz als den Betätigerladungsfehler an die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 aus.
Die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 ist so betreibbar,
dass sie die geeignete Betätigerladungsrate
aus dem Betätigerladungsfehler
bestimmt und diese Rate an die Betätigersteuereinheit 24 ausgibt.
Diese Schaltung 24 steuert dann die Ladungsrate der piezoelektrischen Einheit.
Da die Geschwindigkeit des Elements 18 proportional zur
Ladungsrate an der piezoelektrischen Einheit ist, kann man eine
genauere und zuverlässigere
Steuerung der Geschwindigkeit des Elements 18 aufgrund
der Positionssteuerschaltung 202 und der Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 des Steuersystems 200 erhalten.
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Zusammenfassung
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Verfahren
und Vorrichtung zur Aufsatzdetektion und zum weichen Aufsetzen in
einem durch eine piezoelektrische Einheit angetriebenen Ventilsystem Ein
Steuersystem zum Bestimmen und Steuern einer Position und einer
Geschwindigkeit eines Ventilelements relativ zu einer Kontaktoberfläche des
Ventils in einem Ventilsystem, welches vorzugsweise einen eine piezoelektrische
Einheit aufweisenden Betätiger umfasst.
Das Steuersystem schließt
eine Betätiger-Steuerschaltung
zum Anlegen eines Steuersignals an den Betätiger zum Bewegen des Elements relativ
zur Kontaktoberfläche
ein. Das Steuersystem schließt
weiterhin eine Schaltung zur Detektion eines Aufsatzes zum Bestimmen,
wann das Element auf die Kontaktoberfläche aufprallt, ein. Das Steuersystem
schließt
weiterhin eine Geschwindigkeitssteuerschaltung ein, welche die Ausgabe
der Schaltung zur Aufsatzdetektion aus einem vorhergehenden Betätigungszyklus
nutzt, um die Position und Geschwindigkeit des Elements relativ
zur Kontaktoberfläche
in einem folgenden Betätigungszyklus
zu steuern.