DE202014102940U1

DE202014102940U1 - Ventil mit einem Stößel und einem Sensor

Info

Publication number: DE202014102940U1
Application number: DE202014102940.0U
Authority: DE
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: US20150377383A1; CN105221828A; US9909686B2; DE102015109473A1

Abstract

Ventil (10) mit einem Stößel (14) und einem Sensor (20) zur Erfassung eines Verstellwegs des Stößels (14), insbesondere einem induktiven Sensor, wobei der Sensor (20) einen Signalgeber (22) aufweist, der eine Spule umfasst, deren Spulenachse (S) im Wesentlichen parallel zur Achse (A) des Stößels (14) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Stößel und einem Sensor zur Erfassung einer Position des Stößels.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Stellung eines Ventils mithilfe eines Sensors zu erfassen. Generell gibt es zwei Arten von Sensoren, die zur Erfassung der Position des Stößels verwendet werden, wobei beide Arten einen Signalgeber sowie ein Sensorelement umfassen, das mit dem Signalgeber zusammenwirkt. Die erste Art der Sensoren wird als passive Sensoren bezeichnet, deren Signalgeber ein rein passives Element ist, beispielsweise ein Stahlteil des Stößels. Die Position des Stahlteils wird dabei vom Sensorelement erfasst, wodurch auf die Position des Stößels rückgeschlossen werden kann.
Bei den passiven Sensoren hat sich als nachteilig herausgestellt, dass die Signalstärke aufgrund des rein passiven Signalgebers relativ gering ist. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Aufgrund der geringen Signalstärke weisen die passiven Sensoren eine hohe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen auf, die das Messergebnis verfälschen können.
Die zweite Art der Sensoren wird auch als aktive Sensoren bezeichnet, die einen aktiven Signalgeber haben, der beispielsweise als ein Schwingkreis oder ein Permanentmagnet ausgebildet ist. Das vom aktiven Signalgeber ausgehende Signal wird vom Sensorelement erfasst, wodurch die Position des Stößels bestimmt werden kann. Die Signalstärke ist bei den aktiven Sensoren im Vergleich zu den passiven Sensoren deutlich höher. Allerdings erhöht sich auch der Montageaufwand. Typischerweise handelt es sich bei den aktiven Signalgebern um eine Leiterplatte, auf die Leiterbahnen aufgedruckt sind, die mit dem Sensorelement zusammenwirkt. Die Leiterplatte ist mit dem Stößel mechanisch gekoppelt und wird seitlich beabstandet zum Sensorelement derart geführt, dass sich die Leiterplatte exakt senkrecht zum Sensorelement in einem vordefinierten Abstand bewegt.
Als nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten aktiven Sensoren hat sich herausgestellt, dass die exakte Anordnung und Ausrichtung des Sensorelements zum Signalgeber sehr aufwendig ist, um eine hinreichend gute Messgenauigkeit zu erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil mit einem Sensor bereitzustellen, das einfach herzustellen ist und eine hohe Messgenauigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ventil gelöst, mit einem Stößel und einem Sensor zur Erfassung einer Position des Stößels, insbesondere einem induktiven Sensor, wobei der Sensor einen Signalgeber aufweist, der eine Spule umfasst, deren Spulenachse im Wesentlichen parallel zur Achse des Stößels ist. Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die positiven Eigenschaften eines passiven Sensors mit denen eines aktiven Sensors zu verknüpfen. Dies bedeutet, dass ein einfacher Aufbau vorliegt, der dennoch eine hohe Messgenauigkeit garantiert. Der Aufbau des Sensors ist unter anderem dadurch vereinfacht, dass keine mechanische Führung des Signalgebers nötig ist. Aufgrund der Spule, die Teil des Signalgebers ist, ist ferner sichergestellt, dass die Signalstärke hoch ist, wodurch auch die Messgenauigkeit entsprechend hoch ist. Als im Wesentlichen parallele Anordnung wird dabei ein Bereich mit einer Abweichung von ungefähr 20° von einer exakt parallelen Ausrichtung angesehen.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Spule des Signalgebers eine passive Resonatorspule ist. Der Sensor weist demnach einen passiven Signalgeber auf, der als Resonator wirkt. Dies vereinfacht den Aufbau, da kein elektrischer Anschluss des Signalgebers nötig ist.
Insbesondere weist der Sensor wenigstens ein Sensorelement auf, das mit dem Signalgeber zusammenwirkt. Das Sensorelement kann dabei als Sende- und Empfangseinheit ausgebildet sein, die ein Signal aussendet, das vom Signalgeber moduliert wird. Das Sensorelement empfängt dann das modulierte Signal. Über das modulierte Signal, welches das Sensorelement empfängt, kann auf die Position des Stößels rückgeschlossen werden. Alternativ kann der Sensor auch mehr als ein Sensorelement umfassen, beispielsweise ein als Sendeeinheit dienendes Sensorelement und ein als Empfangseinheit dienendes Sensorelement, sodass eine Trennung der beiden Funktionen vorliegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umschließt das Sensorelement den Signalgeber radial. Aufgrund dieser Anordnung ist eine exakte Anordnung des Signalgebers und des Sensorelements zueinander nur in axialer Richtung nötig, da eine leichte Abweichung keinen negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit hat. Beispielsweise würde ein leichtes Verkippen des Signalgebers relativ zum Sensorelement einen kleineren Abstand zu einem Abschnitt des radial umschließenden Sensorelements ergeben und gleichzeitig einen größeren Abstand zu einem entgegengesetzten Abschnitt des Sensorelements. Diese beiden abweichenden Abstände heben sich im Mittel gerade auf, wodurch die Signalstärke konstant ist. Ferner ist die Anordnung unempfindlich gegenüber einem Verdrehen des Signalgebers relativ zum Sensorelement, da das Sensorelement den Signalgeber radial umschließt. Mit einfachen Mitteln ist somit ein Sensor geschaffen, der eine hohe Messgenauigkeit aufweist und dazu nicht exakt ausgerichtet werden muss.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Sensorelement zumindest einen Teil des Stößels oder eine Verlängerung des Stößels radial umschließt. Bei dieser Ausführung ist der Signalgeber direkt mit dem Stößel gekoppelt, weshalb das Sensorelement einen Teil des Stößels radial umschließt, um die Position des Signalgebers auch in zumindest einer Extremstellung hinreichend genau zu detektieren.
Insbesondere ist das Sensorelement eine zylindrische Luftspule. Eine zylindrische Luftspule ist ein induktives Bauteil, das keinen weichmagnetischen Kern aufweist. Das Sensorelement ist demnach als Spule ausgebildet, die einen Kern aus Luft aufweist. Die vom Sensorelement ausgehenden Magnetfeldlinien verlaufen im Wesentlichen im Spuleninnenraum, weshalb das von dem Sensorelement erzeugte Magnetfeld nicht mit der äußeren Umgebung koppelt. Hierdurch können externe Störeinflüsse verringert werden, was wiederum die Messgenauigkeit erhöht. Alternativ kann die Spule auch einen Kern aus einem nichtmagnetisierbaren Material aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Sensorelement eine Längsachse auf, die im Wesentlichen parallel zur Achse der Ventilspindel und/oder zur Spulenachse ist, insbesondere fällt die Längsachse des Sensorelements mit der Achse der Ventilspindel und/oder der Spulenachse zusammen. Die Spulenachse kann dabei die Achse des Signalgebers sein. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau des Sensors möglich, der gleichzeitig eine sehr hohe Messgenauigkeit aufweist. Wenn die Längsachse des Sensorelements mit der Spulenachse sowie der Achse des Stößels zusammenfällt, ist eine koaxiale Anordnung des Sensorelements in Bezug auf den Signalgeber ausgebildet oder ein koaxialer Sensor. Dies bedeutet, dass sich der Signalgeber im Kern des Sensorelements bewegt, der durch Luft gebildet ist. Diese Ausführung stellt eine besonders hohe Messgenauigkeit und Messunempfindlichkeit gegenüber Verkippungen, Verdrehungen oder äußeren Störeinflüssen dar.
Insbesondere ist der Signalgeber mit der Ventilspindel über ein Koppelungselement gekoppelt. Hierdurch ist eine leicht austauschbare Anordnung des Signalgebers an der Ventilspindel realisiert, da der Signalgeber über das Koppelelement in einfacher Weise demontiert werden kann. Des Weiteren kann über das Koppelelement bei einem standardisierten Ventil eingestellt werden, dass der Signalgeber stets mit dem Sensorelement zusammenwirkt. Beispielsweise kann ein standardisiertes Ventil bei einem Einsatzgebiet angewendet werden, bei dem nur relativ kleine Hubbewegungen aus einer Extremstellung vorgenommen werden. Mit einem größeren Koppelelement ist dann sichergestellt, dass der Signalgeber sich nicht ständig am unteren Rand oder außerhalb des Sensorelements bewegt, sondern mittig. Das Koppelelement kann eine Verlängerung des Stößels darstellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Ventil eine Führung auf, mit der der Signalgeber im Ventil indirekt geführt ist. Bei der Führung handelt es sich um eine indirekte Führung, die mit dem Stößel oder dem Koppelelement zusammenwirkt, sofern dieses vorgesehen ist. Über die einfache mechanische Führung, die als radialer Anschlag ausgebildet sein kann, wird sichergestellt, dass der Signalgeber im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Sensorelements verstellt wird. Über die Führung kann ein tolerierbarer Winkelbereich eingestellt werden, sodass die Führung lediglich zur Grobausrichtung dient.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils, und
2 eine Perspektivansicht des Signalgebers aus 1.
In 1 ist ein Ventil 10 gezeigt, das ein Gehäuse 12 aufweist. In dem Gehäuse 12 ist ein im Wesentlichen zylindrischer Stößel 14 beweglich angeordnet, der an einem ersten Ende 14a mit einem Ventilelement 16 versehen ist, das die Durchflussmenge eines Fluids durch ein Rohr 18 steuert. Das Ventilelement 16 wirkt hierzu mit einem Ventilsitz 19 zusammen.
Bei dem dargestellten Ventil 10 handelt es sich um ein pneumatisch betätigtes Prozessventil. Alternativ können auch hydraulisch oder anderweitig betätigbare Ventile vorgesehen sein.
Die Stellung des Ventils 10, genauer gesagt des Stößels 14 und damit des Ventilelements 16, wird mithilfe eines Sensors 20 festgestellt. Der Sensor 20 erfasst dabei die Position des Stößels 14 innerhalb des Ventils 10 indirekt, um darüber die Position des Ventilelements 16 zu ermitteln. Der Sensor 20 ist hierzu in einem oberen Teil des Ventils 10 angeordnet, in dem ein Sensoraufnahmeraum 21 ausgebildet ist. Hierdurch ist der Sensor 20 von der äußeren Umgebung geschützt.
Der Sensor 20 weist zur Erfassung der Position des Stößels 14 einen Signalgeber 22 auf, der über ein Koppelelement 24 mit dem Stößel 14 an einem zweiten Ende 14b des Stößels 14 gekoppelt ist, das zum ersten Ende 14a entgegengesetzt ist.
Der Signalgeber 22 ist im Detail in 2 gezeigt. Aus der 2 geht hervor, dass es sich bei dem Signalgeber 22 um eine Spule mit einer Spulenachse S handelt. Alternativ kann der Signalgeber 22 eine Spule aufweisen sowie weitere Bauteile wie einen Kondensator und/oder einen Widerstand. Der Signalgeber 22 kann also beispielsweise als ein Schwingkreis ausgebildet sein.
Wie aus 1 hervorgeht, ist die Spulenachse S des Signalgebers 22 im Wesentlichen parallel zur Achse A des Stößels 14. In der gezeigten Ausführungsform fallen die beiden Achsen S, A sogar zusammen.
Ferner weist der Sensor 20 ein Sensorelement 26 auf, das den Signalgeber 22 radial umschließt. Bei dem Sensorelement 26 handelt es sich um eine zylindrische Luftspule, die anstelle eines magnetisierbaren Kerns mit Luft gefüllt ist. Das Sensorelement 26 ist ferner mit einer Steuerungs- und Auswerteeinheit 28 gekoppelt, die auf einer Leiterplatine 30 angeordnet ist, die parallel zum Sensorelement 26 ausgerichtet ist.
Über die Steuerungs- und Auswerteeinheit 28 wird das Sensorelement 26 derart angesteuert, dass in dem als Spule ausgebildeten Sensorelement 26 ein Magnetfeld erzeugt wird, welches vom Signalgeber 22 in Abhängigkeit seiner Position moduliert wird. Der Signalgeber 22 wird demnach vom Sensorelement 26 elektromagnetisch angeregt. Das modulierte Magnetfeld wird wiederum vom Sensorelement 26 erfasst und an die Steuerungs- und Auswerteeinheit 28 übermittelt. Die Modulation des Magnetfelds hängt dabei vom zurückgelegten Hubweg des Stößels 14 ab bzw. von der entsprechenden Position des mit dem Stößel 14 gekoppelten Signalgebers 22, der resonant auf das erzeugte Magnetfeld reagiert. Daher kann aufgrund des modulierten Magnetfelds die Position des Stößels 14 bzw. des Ventilelements 16 erfasst werden.
Demnach handelt es sich bei dem Signalgeber 22 um eine passive Resonatorspule, die mit dem aktiv angesteuerten Sensorelement 26 zusammenwirkt. Dies erleichtert die Montage und den Zusammenbau des Ventils 10, insbesondere des Sensors 20, da kein elektrischer Anschluss des Signalgebers 22 nötig ist.
Das Sensorelement 26 umschließt den Signalgeber 22 radial, wobei die Spulenachse S des Signalgebers 22 generell im Wesentlichen parallel zur Längsachse L des Sensorelements 26 ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform fallen alle drei Achsen A, L, S zusammen, wodurch eine koaxiale Anordnung des Sensors 20 vorliegt, da das Sensorelement 26 den Signalgeber 22 derart radial umschließt, dass der radiale Abstand r der Spulenachse S zum Sensorelement 26 immer gleich ist.
Die Anordnung des Sensors 20 gemäß der dargestellten Ausführungsform ist besonders geeignet, um eine hohe Messgenauigkeit bei geringem fertigungstechnischem Aufwand zu erzielen, da ein leichtes Verkippen des Signalgebers 22 relativ zum Sensorelement 26 keine negativen Auswirkungen auf die Messgenauigkeit hat. Ein verringerter Abstand zu einem Abschnitt des Sensorelements 26, beispielsweise in der Figur der linke Abschnitt, hat einen größeren Abstand zum gegenüberliegenden Abschnitt des Sensorelements 26, hier der rechte Bereich, zur Folge. Dies resultiert in einem im Mittel gleich großen Signal, sodass ein Verdrehen oder ein Verkippen des Signalgebers 22 relativ zum Sensorelement 26 keine Auswirkungen auf das Messergebnis hat. Dies vereinfacht den Zusammenbau des Sensors 20, da keine exakte Ausrichtung nötig ist, wie dies bei aktiven Sensoren der Fall ist. Aufgrund der Ausbildung als Resonatorspule wird dennoch ein starkes Messsignal und somit eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
Trotz der Unempfindlichkeit gegenüber einem Verkippen des Signalgebers 22 kann eine Führung 32 im Ventil 10 vorgesehen sein, über die der Signalgeber 22 indirekt im Ventil 10 geführt ist. In der gezeigten Ausführungsform wirkt das Koppelelement 24 mit der Führung 32 zusammen, wobei die Führung 32 radiale Anschläge für das Koppelelement 24 ausbildet, die ein Verkippen des Signalgebers 22 begrenzt, sodass dieser im Wesentlichen parallel zur Achse A des Stößel 14 geführt ist.
Da der Sensor 20 gegenüber einem Verkippen des Signalgebers 22 in Bezug auf das Sensorelement 26 unempfindlich ist, ist es ausreichend, wenn der Signalgeber 22 bzw. die Spulenachse S im Wesentlichen parallel zur Achse des Stößels 14 ist.
Als im Wesentlichen parallel ist hierbei anzusehen, dass der Signalgeber 22 nicht in Berührung mit dem Sensorelement 26 kommt, wobei die Winkelangabe davon abhängig ist, wie die Ausmaße des Sensorelements 26 sowie des Signalgebers 22 sind. Ein Winkelversatz von ±20°, insbesondere ±10°, zwischen der Spulenachse S und der Achse A des Stößels 14 stellt dabei eine denkbare Grenze dar.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Signalgeber 22 direkt mit dem Stößel 14 gekoppelt ist, wobei der Stößel 14 einen Aufnahmeabschnitt für den Signalgeber 22 aufweist, der beispielsweise von der Führung 32 geführt ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Sensor 20 zwei Sensorelemente 26 aufweist, wobei ein erstes Sensorelement 26 zur Erzeugung des Magnetfelds und ein zweites Sensorelement 26 zum Empfang des modulierten Magnetfelds ausgebildet sind.

Claims

Ventil (10) mit einem Stößel (14) und einem Sensor (20) zur Erfassung eines Verstellwegs des Stößels (14), insbesondere einem induktiven Sensor, wobei der Sensor (20) einen Signalgeber (22) aufweist, der eine Spule umfasst, deren Spulenachse (S) im Wesentlichen parallel zur Achse (A) des Stößels (14) ist.
Ventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule des Signalgebers (22) eine passive Resonatorspule ist.
Ventil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) wenigstens ein Sensorelement (26) umfasst, das mit dem Signalgeber (22) zusammenwirkt.
Ventil (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (26) den Signalgeber (22) radial umschließt.
Ventil (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (26) zumindest einen Teil des Stößels (14) oder eine Verlängerung des Stößels radial umschließt.
Ventil (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (26) eine zylindrische Luftspule ist.
Ventil (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (26) eine Längsachse (L) aufweist, die im Wesentlichen parallel zur Achse (A) des Stößels (14) und/oder zur Spulenachse (S) ist, insbesondere dass die Längsachse (L) des Sensorelements (26) mit der Achse (A) des Stößels (14) und/oder der Spulenachse (S) zusammenfällt.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (22) mit dem Stößel (14) über ein Koppelelement (24) gekoppelt ist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) eine Führung (32) aufweist, mit der der Signalgeber (22) im Ventil (10) indirekt geführt ist.