Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung eines
Heiz- oder Kühlmediums mit einer Temperaturregeleinrichtung
und mit einem Ventil, das ein Ventilgehäuse, einen Ventil
sitz, einen Ventilkörper und eine Ventilspindel aufweist,
wobei die Ventilspindel über eine Einrichtung zur Umwandlung
des Hubs der Ventilspindel in eine Drehbewegung, und ein
Getriebe mit einem Stellmotor verbunden ist, und mit einer
Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung der Position der
Ventilspindel relativ zum Ventilgehäuse.
Eine derartige Anordnung ist aus der DE-PS 28 00 704 vorbe
kannt. Die dortige Positionserfassungseinrichtung ist als
induktive Einrichtung ausgebildet und soll die Position der
Ventilspindel relativ zum Ventilgehäuse linear erfassen.
Eine derartige lineare Erfassung der Position der Ventil
spindel ist jedoch von Nachteil, denn die erforderliche
Bauhöhe des dortigen Ventils wird durch die Positionser
fassungseinrichtung stark vergrößert. Aufgrund der linearen
Erfassung der Ventilspindelposition sind den möglichen zu
erfassenden Ventilspindelhüben enge konstruktive Grenzen
gesetzt. Da die zu erfassenden Ventilspindelhübe nur wenige
Zehntel mm betragen, ist es möglich, daß die mit der vor
bekannten Positionserfassung erzielbare Auflösung der
Position der Ventilspindel relativ zum Gehäuse für eine
wirkungsvolle Temperatursteuerung bzw. Temperaturregelung
nicht ausreichend ist. Schließlich ist die vorbekannte An
ordnung nur relativ aufwendig und kostenintensiv herstell
bar, da die dortige Positionserfassungseinrichtung auf
wendige Maßnahmen erfordert, und die konstruktive mecha
nische Ausgestaltung des Ventils aufwendig ist.
Die Erfindung hat die Aufgabe eine Anordnung zur Steuerung
eines Heiz- oder Kühlmediums zu schaffen, bei der die Posi
tionserfassung der Ventilspindel gegenüber dem Ventilgehäuse
auf einfache und kostengünstige Weise für nahezu beliebige
Ventilhübe mit geringem Stromverbrauch und ohne Beschränkung
der konstruktiven mechanischen Ausgestaltung des Ventils er
folgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Positionserfassungseinrichtung ein scheibenförmiges Bau
element aufweist, das auf einer mit dem Stellmotor ge
koppelten Welle angeordnet ist, daß das scheibenförmige
Bauelement Markierungen aufweist, daß die Positions
erfassungseinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung der
Markierungen aufweist, und daß die Positionserfassungs
einrichtung einen Zähler zum Zählen der erfaßten Mar
kierungen aufweist.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat gegenüber der vorbe
kannten Anordnung den Vorteil, daß durch die Erfassung der
Drehpositionen des scheibenförmigen Bauelements, sowohl die
Auflösung der Positionserfassung der Ventilspindel als auch
die zu erfassenden Ventilspindelhübe nahezu beliebig den
Erfordernissen und insbesondere der konstruktiven Aus
gestaltung des Ventils angepaßt werden können. Dadurch, daß
sowohl das scheibenförmige Bauelement als auch die Ein
richtung zur Erfassung der Markierungen vergleichsweise
geringen Platz beanspruchen, kann das Ventil der erfindungs
gemäßen Anordnung gegenüber dem Vorbekannten kleiner ge
staltet werden. Dadurch, daß der Anwender in der Wahl des
physikalischen Meßprinzips weitgehend frei ist, kann ge
währleistet werden, daß die Positionserfassung bei der
erfindungsgemäßen Anordnung mit möglichst geringem Strom
verbrauch erfolgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des
Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung sind in
den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Ventil einer erfindungsgemäßen Anordnung mit
einer ersten Positionserfassungseinrichtung,
Fig. 2 ein Ventil einer erfindungsgemäßen Anordnung mit
einer weiteren Positionserfassungseinrichtung,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines scheibenförmigen
Bauelements mit Markierungen,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines
scheibenförmigen Bauelements mit Markierungen,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines
scheibenförmigen Bauelements mit Markierungen,
Fig. 6 Spannungsverläufe, die sich bei der Erfassung der
Markierungen auf dem scheibenförmigen Bauelement der
Fig. 3 bzw. der Fig. 5 ergeben,
Fig. 7 Spannungsverläufe, die sich bei der Erfassung der
Markierungen des scheibenförmigen Bauelements gemäß
Fig. 4 ergeben und
Fig. 8 eine Einrichtung zur Stromversorgung der Positionser
fassungseinrichtung (9) aus der Stromversorgung des
Stellmotors (8).
In Fig. 1 ist das Ventil (1) einer erfindungsgemäßen
Anordnung teilweise geschnitten dargestellt. Das Ventil (1)
weist ein Ventilgehäuse (2) auf, in dem ein Ventilsitz (3)
eingearbeitet ist. In Fig. 1 oberhalb des Ventilsitzes (3)
ist ein Ventilkörper (4) angeordnet, der an einer Ventil
spindel (5) befestigt ist. Der Ventilkörper (4) bzw. die
Ventilspindel (5) sind in der Fig. 1 in zwei Stellungen
relativ zum Ventilsitz (3) bzw. dem Ventilgehäuse (2) dar
gestellt. Auf der linken Seite der Fig. 1 ist der Ventil
körper (4) vollständig vom Ventilsitz (3) entfernt, so daß
die Ventilspindel (5) ihre höchste erreichbare Stellung
relativ zum Ventilgehäuse (2) aufweist. Auf der rechten
Seite der Fig. 1 sitzt der Ventilkörper (4) auf dem Ventil
sitz (3) auf, so daß das Ventil geschlossen ist, und die
Ventilspindel (5) ihre tiefste Position relativ zum
Ventilgehäuse (2) aufgenommen hat.
Oberhalb der Ventilspindel (5) ist eine Einrichtung (6) zur
Umwandlung des Hubs der Ventilspindel in eine Drehbewegung
angeordnet, die über eine Getriebeantriebswelle (11) mit
einem Getriebe (7) und über das Getriebe (7) mit einem
Stellmotor (8) verbunden ist.
Zwischen dem Getriebe (7) und der Einrichtung (6) ist eine
Positionserfassungseinrichtung (9) angeordnet, die ein
scheibenförmiges Bauelement (10) aufweist, das drehfest mit
der Getriebeabtriebswelle (11) verbunden ist. Das scheiben
förmige Bauelement (10) weist Markierungen (12) an seinem
Umfang auf.
Ein weiterer Teil der Positionserfassungseinrichtung (9) ist
eine Einrichtung (13) zur Erfassung der Markierungen (12),
die starr mit dem Getriebe (7) und damit über das Getriebe
(7) mit dem Ventilgehäuse (2) verbunden ist. Die Einrichtung
(13) zur Erfassung der Markierungen weist Schleifkontakte
(14) auf, die auf dem Umfang des scheibenförmigen
Bauelements (10) aufliegen, und die bei einer Drehung des
scheibenförmigen Bauelements (10) jeweils wechselweise mit
den Markierungen (12) des scheibenförmigen Bauelements (10)
in Kontakt kommen.
In der Fig. 1 ist nicht die zur erfindungsgemäßen Anordnung
gehörende Temperaturregeleinrichtung dargestellt. Diese
Temperaturregeleinrichtung kann entsprechend der Anordnung
gemäß der DE-PS 28 00 704 gestaltet sein. Die Temperatur
regeleinrichtung ist dann einerseits mit den elektrischen
Anschlüssen des Stellmotors leitend verbunden. Andererseits
ist eine elektrische Verbindung zwischen der Einrichtung
(13) zur Erfassung der Markierungen und der Temperatur
regeleinrichtung vorgesehen, wobei die Positionserfassungs
einrichtung einen Zähler aufweist, der die Zahl der erfaßten
Markierungen zählt und gegebenenfalls an die Temperatur
einrichtung weitergibt.
In der Fig. 2 sind gleiche oder gleichwirkende Teile der
erfindungsgemäßen Anordnung wie in Fig. 1 mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Hier weist das scheibenförmige
Bauelement (10) jedoch die Markierungen nicht wie in Fig. 1
an seinem Umfang, sondern auf seiner Scheibenfläche, in der
Fig. 2 auf der oberen Scheibenfläche, auf. Es sind hier zwei
Markierungssätze auf dem scheibenförmigen Bauelement (10)
vorgesehen, so daß neben der ersten Positionserfassungs
einrichtung (9) eine zweite Positionserfassungseinrichtung
mit einer zweiten Einrichtung zur Erfassung der Markierungen
(15) vorgesehen sind. Auch diese zweite Positionserfassungs
einrichtung weist zweite Schleifkontakte (16) auf, die auf
der oberen Fläche des scheibenförmigen Bauelements (10) in
der Fig. 2 aufliegen, und abhängig von der Drehung der
Markierungsscheibe (10) wechselweise mit den Markierungen
des scheibenförmigen Bauelements (10) korrespondieren.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines scheibenförmigen
Bauelements (10) dargestellt, das auf seiner Scheibenfläche
Markierungen (12) eines Markierungssatzes aufweist, wobei
die Markierungen (12) strahlenförmig auf dem scheiben
förmigen Bauelement (10) angeordnet sind.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
scheibenförmigen Bauelements (10) dargestellt, wobei jedoch
anders als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, zwei
Markierungssätze vorgesehen sind. Ein erster Markierungssatz
wird gebildet aus den Markierungen (12), die im wesentlichen
nahe dem Außenrand des scheibenförmigen Bauelements (10)
angeordnet sind. Die zweiten Markierungen (17) eines zweiten
Markierungssatzes sind hingegen näher zum Zentrum des
scheibenförmigen Bauelements (10) angeordnet, und gegenüber
den Markierungen (12) des ersten Markierungssatzes versetzt
abgebildet. Der Versatz zwischen den ersten Markierungen
(12) und den zweiten Markierungen (17) des scheibenförmigen
Bauelements (10) ist derart gewählt, daß der sich ergebende
Winkel zwischen den beiden benachbarten Markierungen (12)
bzw. (17) der beiden Markierungssätze ungleich dem halben
Winkel zwischen zwei Markierungen (12) bzw. (17) jeweils
eines Markierungssatzes ist, um durch geeignete Maßnahmen
die Drehrichtung des scheibenförmigen Bauelements (10) und
damit die Bewegungsrichtung der Ventilspindel erfassen zu
können.
In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines schei
benförmigen Bauelements (10) dargestellt, bei dem die
Markierungen (12) entsprechend dem ersten Ausführungs
beispiel gemäß Fig. 3 angeordnet sind. Das scheibenförmige
Bauelement (10) ist hier jedoch an seinem Außenumfang mit
einer Zahnung versehen, so daß es zugleich als Zahnrad
wirksam sein kann, und innerhalb des Getriebes angeordnet
werden kann, so daß für die Anordnungen des scheibenförmigen
Bauelements (10) gemäß Fig. 5 in Ventil (1) der erfindungs
gemäßen Anordnung kein zusätzlicher Platzbedarf erforderlich
ist.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung wird nun anhand
der Fig. 6 und 7 näher erläutert: In Fig. 6 sind zwei
Spannungsverläufe (U) über eine Zeit (t) dargestelt, die sich
bei einer Drehung der Getriebeabtriebswelle (11) in Fig. 1
an einem scheibenförmigen Bauelement (10) gemäß Fig. 1 bzw.
gemäß Fig. 3 ergeben. In Fig. 6a) ist dargestellt, daß über
die gesamte Zeit (t) an den Markierungen (12) des scheiben
förmigen Bauelements (10) ein konstantes Potential (U 1)
anliegt. Dieses konstante Potential (U 1) kann z. B. die
Versorgungsspannung der gesamten Anordnung sein.
In Fig. 6 ist der Potentialverlauf (U) über die Zeit (t) darge
stellt, der sich an der Einrichtung (13) zur Erfassung der
Markierungen (12) bei Drehung des scheibenförmigen Bau
elements (10) ergibt. Es ist hier eine konstante Drehzahl
der Getriebeabtriebswelle (11) und damit der Scheibe (10)
angenommen. Bei jeder Berührung der Schleifkontakte (14) mit
den leitenden Markierungen (12) ergibt sich dann an der
Einrichtung (13) zur Erfassung der Markierungen (12) ein
Potentialsprung vom Wert 0 Volt auf den Wert (U 1). Wenn die
Markierung (12) unter dem Schleifkontakt (14) durchgewandert
ist, fällt das Potential wieder auf den Wert 0 Volt ab.
Der in Fig. 6b) dargestellte Potentialverlauf ergibt sich
sowohl bei Drehung der Getriebeabtriebswelle im Uhrzeiger
sinn als auch im Gegenuhrzeigersinn. Das heißt, eine Erfassung
der Drehrichtung der Getriebeabtriebswelle ist mit der An
ordnung gemäß Fig. 1 bzw. gemäß der Fig. 3 und 5 nicht
möglich. Da jedoch in der Temperaturregeleinrichtung die
Polarität mit der der Stellmotor (8) angesteuert wird
bekannt ist, kann aus dieser Information die Drehrichtung
auch der Getriebeabtriebswelle (11) ermittelt werden. Hierzu
ist jedoch ein zusätzlicher Speicher in der Temperaturregel
einrichtung erforderlich, in dem diese Information abgelegt
ist.
Wird eine Markierungsscheibe (10) gemäß Fig. 4 z. B. in
einem Ventil (1) gemäß der Fig. 2 bei einer erfindungsgemäßen
Anordnung benutzt, so ist die Erfassung der Drehrichtung der
Getriebeabtriebswelle (11) bzw. des scheibenförmigen Bauele
ments (10) mit den Positionserfassungseinrichtungen möglich.
In Fig. 7 sind drei Spannungsverläufe (U) über der Zeit (t) dar
gestellt, die bei der Erfassung der Drehung und der Dreh
richtung zu berücksichtigen sind. In Fig. 7a) ist entspre
chend Fig. 6a) dargestellt, daß die elektrisch leitenden
Markierungen (12) bzw. (17) mit einem konstanten Potential (U
1), das vorteilhaft die Versorgungsspannung der erfindungs
gemäßen Anordnung sein kann, versorgt werden. Dies geschieht
über die gesamte Zeit (t).
In Fig. 7b) ist der von der Einrichtung (13) zur Erfassung
der Markierungen ermittelte Potentialverlauf bei Erfassung
der Markierungen (12) des ersten Markierungssatzes über der
Zeit (t) dargestellt. In Fig. 7c) ist der durch eine zweite
Einrichtung (15) zur Erfassung der Markierungen (17) eines
zweiten Markierungssatzes auftretende Potentialverlauf (U) über
der Zeit (t) dargestellt, wobei bei Darstellung der Potential
verläufe gemäß der Fig. 7b) und 7c) davon ausgegangen wird,
daß sich die Getriebeabtriebswelle (11) und damit das schei
benförmige Bauelement (10) aus der Sicht des Stellmotors (8)
im Uhrzeigersinn bzw. bei Betrachtung der Fig. 4 von oben
ebenfalls im Uhrzeigersinn drehen. Es ist wiederum eine
konstante Drehzahl der Getriebeabtriebswelle (11) und damit
des scheibenförmigen Bauelements (10) angenommen, so daß der
Abstand zwischen den auftretenden Potentialänderungen des
von der Einrichtung (13) bzw. der Einrichtung (15)
gemessenen Potentials über die Zeit (t) konstant bleibt.
Aufgrund des Versatzes bei der Anordnung der Markierungen
(12) bzw. (17) auf dem scheibenförmigen Bauelement (10)
ergibt sich bei der Erfassung der Markierungen eine Zeit
dauer (T), die von der Drehzahl des scheibenförmigen Bau
elements (10) und von dem räumlichen Versatz der Mar
kierungen (12, 17) auf dem scheibenförmigen Bauelement (10)
abhängig ist. Die in den Fig. 7b) und c) dargestellte
Zeitdauer (T) ergibt sich dann bei Drehung des scheiben
förmigen Bauelements (10) der Fig. 4 im Uhrzeigersinn. Bei
Drehung des scheibenförmigen Bauelements (10) gemäß der Fig.
4 im Gegenuhrzeigersinn würde die Zeitdauer (T) einen anderen
Wert annehmen, und dieser Unterschied im zeitlichen Versatz
(T) könnte von der Positionserfassungseinrichtung dahingehend
ausgewertet werden, daß die Drehrichtung des scheiben
förmigen Bauelements (10) und damit die Bewegungsrichtung
der Ventilspindel (5) relativ zum Gehäuse (2) ermittelt
wird, ohne daß hierfür in der Temperaturregeleinrichtung ein
zusätzlicher Speicher erforderlich wäre.
In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 wurde von
einer elektrischen kontaktgesteuerten Erfassung der Mar
kierungen (12) auf den scheibenförmigen Bauelementen (10)
ausgegangen. Es ist jedoch auch möglich, eine kapazitive,
induktive oder optische Erfassung der Markierungen (12) auf
dem scheibenförmigen Bauelement (10) durchzuführen. In jedem
Falle ergibt sich der Vorteil der erfindungsgemäßen Anord
nung, daß das Ausgangssignal der Einrichtung (13) zur Er
fassung der Markierungen ein digitales Ausgangssignal ist,
das insbesondere bei der Verwendung eines Mikrorechners als
Teil der Temperaturregeleinrichtung einfach und kosten
günstig verarbeitet werden kann, ohne daß entsprechend dem
Vorbekannten eine weitere Verarbeitung der Ausgangssignale
der Einrichtung zur Erfassung der Markierungen erforderlich
wäre. Insbesondere kann auf einen Analog/Digitalwandler zur
Verarbeitung der Markierungssignale verzichtet werden.
Das scheibenförmige Bauelement (10) kann nicht nur auf der
Getriebeabtriebswelle (11) des Ventils (1) angeordnet
werden. Es ist durchaus möglich, das scheibenförmige Bau
element (10), wie vorher bereits erwähnt, als Getriebe
zahnrad im Getriebe (7) unterzubringen. Man kann auch das
scheibenförmige Bauelement (10) auf der Motorwelle des
Stellmotors (8) anordnen. Dies hat insbesondere den Vorteil,
daß die Positionsauflösung der Position der Ventilspindel
(5) relativ zum Ventilgehäuse (2) nahezu frei gewählt werden
kann, ohne daß gegebenenfalls an der Ausführung des schei
benförmigen Bauelements (10) oder der Markierungen (12) bzw.
(17) Änderungen erforderlich wären.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Positionserfassungs
einrichtung (9) eine Einrichtung zur Erfassung der Null
position oder vollgeschlossenen Position der Ventilspindel
(5) und/oder eine Einrichtung zur Erfassung der vollge
öffneten Position der Ventilspindel (5) aufweist. Diese
Einrichtung zur Erfassung der Nullposition oder der vollge
öffneten Position der Ventilspindel kann einen zweiten
Zeitmesser und eine Setzeinrichtung aufweisen. Die Setz
einrichtung setzt dann den Zählerstand des Zählers auf 0
oder auf einen max. Zählwert, wenn der Stellmotor (8) in
Schließrichtung oder in Öffnungsrichtung des Ventils (1)
angesteuert wird, und wenn sich innerhalb der durch den
zweiten Zeitmesser vorgegebenen Zeitdauer der Zählerstand
des Zählers nicht ändert.
Um ein Blockieren der beweglichen Teile des Ventils (1)
während längerer Stillstandszeiten, z. B. im Sommer bei
abgeschalteter Heizung, zu verhindern, ist es vorteilhaft,
wenn eine Einrichtung zum Wirksamschalten der Einrichtung
zur Erfassung der Nullposition und/oder der vollgeöffneten
Position vorgesehen ist, die nach Unterbrechung der Ver
sorgungsspannungen und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen
dritten Zeitdauer die Einrichtung zur Erfassung der Null
position und/oder der vollgeöffneten Position wirksam
schaltet.
Um einen unnötigen und erhöhten Stromverbrauch der
erfindungsgemäßen Anordnung zu verhindern, ist es weiterhin
vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur Erfassung der Null
position oder der vollgeöffneten Position einen vierten
Zeitmesser aufweist, der nach Erfassung der Nullposition
oder der vollgeöffneten Position nach Ablauf der durch den
vierten Zeitmesser vorgegebenen vierten Zeitdauer den
Stellmotor abschaltet.
Die Temperaturregeleinrichtung und das Ventil (1) können zu
einer baulichen Einheit zusammengefaßt sein, vor allem dann,
wenn eine erfindungsgemäße Anordnung in einem zu tempe
rierenden Raum nur ein Ventil (1) aufweist.
Es ist jedoch auch möglich, daß die Temperaturregelein
richtung und das Ventil (1) räumlich getrennt voneinander
ausgebildet sind, um z. B. Verfälschungen der gemessenen
Raumtemperatur in der Nähe der Wärme- oder Kältequelle zu
vermeiden. Insbesondere in diesem Fall ist es auch vor
teilhaft, wenn die Temperaturregeleinrichtung mehrere
Ventile (1) steuert.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat gegenüber dem Vorbe
kannten den weiteren Vorteil, daß sie einfach und kosten
günstig ausgebildet werden kann, wenn die Temperaturregel
einrichtung einen Mikrorechner aufweist. Die Versorgung der
gesamten erfindungsgemäßen Anordnung mit Strom kann z. B.
vorteilhaft durch Batterien oder Kleinakkumulatoren
erfolgen.
Um die Zahl der Verbindungsleitungen zwischen dem Ventil (1)
und der Temperaturregeleinrichtung der erfindungsgemäßen
Anordnung zu reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn gemäß Fig.
8 in den Versorgungsleitungen des Stellmotors (8) zwei
Klemmen (K 1, K 2) vorgesehen sind, die mit den Kathoden zweier
Dioden (D 1, D 2) leitend verbunden sind. Die Anoden der Dioden
(D 1, D 2) liefern die positive Versorgungsspannung (U 1) an die
in der Fig. 8 nicht dargestellte Positionserfassungsein
richtung (9), wenn und solange der Stellmotor (8) mit Strom
durch die Temperaturregeleinrichtung versorgt wird. Bei
dieser vorteilhaften Schaltung wird davon ausgegangen, daß
eine Positionserfassung nur dann erfolgt, wenn sich die
Ventilspindel (5) bewegt. Dies ist nur dann der Fall, wenn
der Motor (8) mit Strom versorgt wird. Die Dioden (D 1, D 2)
sind in der Fig. 8 erforderlich, um die Stromversorgung der
Positionserfassungseinrichtung (9) unabhängig von der Dreh
richtung des Stellmotors (8), die von der Polarität der
Versorgungsspannung abhängig ist, sicherzustellen. Mit den
Maßnahmen der Fig. 8 müssen Stellmotor (8) und Temperatur
regeleinrichtung nur durch drei Leitungen verbunden werden.
Zwei Leitungen sind für die Stromversorgung des Stellmotors
(8) erforderlich. Eine Leitung ist zur Meldung des Posi
tionssignals an die Temperaturregeleinrichtung erforderlich.