DE4015756A1 - Elektroventil fuer fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektroventil für Flüs­ sigkeiten, welches fernsteuerbar ist und in zwei Betriebsar­ ten bzw. Positionen gesetzt werden kann, wobei eine davon als "offen" bezeichnet werden kann, um den Fluß der Flüssig­ keit zu erlauben, und die andere zum Stoppen des Flusses mit "geschlossen" bezeichnet wird. Das vorstehend bezeichnete Ventil ist fernsteuerbar unter der Verwendung kodierter elektronischer Signale über zwei Leitungen; gleichfalls kann das Ventil manuell über einen eingebauten handbetriebenen Hebel gesteuert werden, solange bestimmte einzuhaltende Bedingungen erfüllt sind.

Die im folgenden mit "Erlaubnis zum Umladen" genannte kodierte Sequenz versetzt die Vorrichtung in einen Modus, bei dem eine Bedienungsperson unter Verwendung des handbetä­ tigten Hebels das Ventil beliebig öffnen oder schließen kann, obwohl die kodierte Sequenz den vorhergehenden Ven­ tilmodus selbst nicht ändert (offen oder geschlossen).

Im Gegensatz dazu wird mit der als "Schnitt" genannten ko­ dierten Sequenz das Ventil direkt in einen "geschlossenen" Positionsmodus gesetzt, wodurch der Flüssigkeitsfluß ge­ stoppt wird. Gleichzeitig wird die Vorrichtung in einen Mo­ dus versetzt, bei dem das Ventil nicht unter Verwendung des handbetriebenen Hebels von Hand betrieben werden kann.

Die im folgenden als "Deaktivierumg" bezeichnete kodierte Sequenz ermöglicht ein Abschalten oder ein Kurzschließen der Leistungsversorgung und der Fernsteuerungsleitungen, ohne daß das Ventil automatisch in den "Schnitt"-Modus geht, auch wenn sich das Ventil in dem "Erlaubnis zum Umladen"-Modus befindet.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß das Ventil für Flüsse zwei Moden aufweist, wobei das Ventil bei einem davon als ein normales handbetätigtes Ventil wirkt, und bei dem anderen Modus ein Abschalten des Ventiles mit Deaktivierung des manuellen Umlademechanismus′ bewirkt wird. Das Ventil wird in den zweiten Modus aus verschiedenen Gründen gebracht, entweder weil es über die Fernsteuerung und die Leistungsversorgungsleitungen dazu gebracht ist, oder auf­ grund irgendeinem Fehler darin (defekte Leitungen, Kurz­ schlüsse, etc.). Falls sich das Ventil in diesem zweiten Modus befindet, ist der einzige Weg in den ersten Modus über einen Befehl möglich, der von der Fernsteuerung und den Lei­ stungsversorgungsleitungen bewirkt wird. Der "Deaktivie­ rungs"-Befehl kann verwendet werden, um Eingriffe an den Leitungen oder an den zugehörigen Steuerinstrumenten vorzu­ nehmen, ohne die Einheit abzuschalten.

Diese Vorrichtung kann in all jenen Industrien im allgemei­ nen verwendet werden, bei denen Flüssigkeiten verarbeitet, transportiert oder verteilt werden, bei Anwendungen, bei denen es erwünscht ist, ein ferngesteuertes Ventil zu ver­ wenden: Die Anordnung ist unzugänglich bzw. schwierig zu er­ reichen aufgrund der physikalischen Lage (unterirdische An­ wendungen, Festlandanwendungen mit langem Zugriff, teure oder gesetzlich eingeschränkte Anwendungen), Anordnungen an Stellen mit eingeschränktem Zugriff aufgrund Umgebungsgefah­ ren (hohe Temperatur, chemisch oder biologisch kontaminierte Umgebungen, explosive Umgebungen, staubige oder feuchte Um­ gebungen), und letztendlich bei Anwendungen, bei denen ein manueller Betrieb, verbunden mit einem Sicherheitsabschalten im Falle von Fehlern oder aufgrund eines Alarms benötigt wird.

Um die Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfin­ dung zu verstehen, werden im folgenden die Eigenschaften und entsprechenden Funktionen von bisher bekannten Ventilen und Elektroventilen beschrieben.

Die bisher auf dem Mark befindlichen Elektroventile können in zwei große Gruppen eingeteilt werden: Die eine Gruppe um­ faßt die Ventile, die unter einer konstanten Spannung be­ trieben werden müssen, und daneben den sogenannten Impuls­ typ. Diese Typen werden im folgenden als Typ P und Typ I be­ zeichnet. Die Eigenschaften des zuerstgenannten Typs können wie folgt zusammengefaßt werden:

• - hoher Verbrauch.
• - Notwendigkeit, eine Spannung aufrechtzuerhalten, um einen der beiden Betriebsmoden zu halten, sowie einen Mangel an Spannung für den anderen Modus.
• - Eine große Anzahl von Ausführungsformen und Betriebsspannungen.
• - Falls die Verbindungsdrähte offen sind oder kurzge­ schlossen, gehen sie in einen Ruhemodus (der je nach Typ den Flüssigkeitsfluß zuläßt oder nicht).
• - Sie weisen keinen externen handbetätigten Hebel auf.

Die hauptsächlichen Eigenschaften der Impulsventile:

• - Die Anwendung eines Spannungsimpulses erfordert, daß sie den Zustand ändern.
• - Da keine permanente Spannung benötigt wird, ist de­ ren Verbrauch sehr niedrig.
• - Sie ändern den Zustand nicht, wenn die Verbindungs­ drähte abschalten oder kurzgeschlossen werden.
• - Sie weisen keinen externen handbetätigten Hebel auf.

Neben diesen beiden erwähnten fundamentalen Typen von Elek­ troventilen gibt es einen speziellen Typ eines Elektroven­ tils in den U.S.A., welches ferngesteuert über eine Zwei­ drahtverbindung geschlossen werden kann. Jedoch kann dieses Ventil immer mechanisch umgeladen werden, unabhängig davon, ob es abgeschaltet wurde oder nicht. Einmal abgeschaltet, kann es somit lediglich durch autorisiertes Personal umgela­ den werden, welches mit einem speziellen Werkzeug ausgestat­ tet sein muß, das direkt auf dem Körper des Ventils ange­ setzt wird. Daher muß zum Umladen das autorisierte Personal Zugriff zu dem Ventil haben. Andererseits beträgt die maxi­ male Länge des Verbindungskabels lediglich 30 m. Dieses Ven­ til wird im folgenden als Elektroventil vom Typ T bezeich­ net.

Von den vorgenannt erwähnten Ventilen sind die folgenden Hauptmerkmale zu betrachten:

• - Verbrauch.
• - Täuschung bzw. Möglichkeit eines unberechtigten Ein­ griffes.
• - Automatisches Abschalten im Falle von Fehlern bei den Verbindungsleitungen.
• - Manuelle Steuermöglichkeit.
• - Möglichkeit des ferngesteuerten Überwachens des Zu­ standes des Ventils.
• - Anzahl der Verbindungsleitungen und deren maximale Länge.

Von den vorgenannten Ventilen zeigt keines sämtliche dieser Eigenschaften auf optimale Weise. Der P-Typ weist ein auto­ matisches Abschalten im Falle von Fehlern bei den Verbin­ dungsdrähten auf, jedoch auf Kosten eines hohen Verbrauches. Der I-Typ weist einen geringeren Verbrauch auf, reagiert jedoch nicht auf das Abschalten bzw. Kurzschließen der Ver­ bindungsleitungen. Keiner von den P- bzw. I-Typen weist spe­ zielle Merkmale gegen Täuschung auf. Keiner von den Typen P, I oder T weist weder die Möglichkeit der manuellen Steue­ rung, noch die Möglichkeit des ferngesteuerten Überwachens des Zustandes des Ventils auf. Bei sämtlichen Typen gibt es lediglich zwei Leitungen, aber im Falle des P-Typs ist deren Länge auf 30 Meter beschränkt. Keiner der Typen P, I oder T kann direkt bei Sicherheitsanwendungen von einer Gasdetek­ torvorrichtung aktiviert werden.

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektroventil zur Verfügung zu stellen, welches sämtliche der im vorhergehenden erwähnten Hauptaspekte berücksichtigt.

Diese Aufgabe wird durch ein Elektroventil gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Elektroventil zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus:

• 1. Es weist einen konstanten Verbrauch von lediglich eini­ gen wenigen mw auf.
• 2. Aktiviert das Schließen des Ventils im Falle eines Kurz­ schlusses der externen Leitungen, oder im Falle des Ver­ schwindens der dazwischen vorkommenden Spannung.
• 3. Die Verbindungsleitungen können bis zu 2 km lang sein, und müssen nicht abgeschirmt sein.
• 4. Es weist zwei unterschiedliche Verbrauchsraten auf in jedem der verschiedenen Zustände, so daß der Zustand, in welchem sich das Elektroventil befindet, fernüberwacht werden kann.
• 5. Es kann manuell bedient werden mittels eines eingebauten externen Hebels, solange wie die Erlaubnis im vorherge­ henden als kodierter Befehl über die Verbindungsleitun­ gen eingegeben wurde.
• 6. Die Befehle zun Erzeugen einer Änderung des Zustandes sind kodiert, so daß es für nichtautorisiertes Personal sehr schwierig ist, das Ventil zu ändern.
• 7. Es kann direkt durch einen Gasdetektor aktiviert werden, oder durch irgendeine andere Alarmvorrichtung.
• 8. Es kann, falls die Notwendigkeit besteht und durch vor­ heriges Eingeben eines Befehles vorgegeben ist, die automatische Abschaltfunktion im Falle eines Verbin­ dungsfehlers in der Fernsteuerung und den Leistungsver­ sorgungsleitungen verhindern.

Falls das vorliegende Elektroventil mit einer intelligenten Zentraleinheit verbunden wird, können ebenso weitere Funk­ tionen erhalten werden, wie beispielsweise: Automatisches Abschalten im Falle eines Täuschungsversuches bei der Installationsanlage oder aus anderen Gründen (z. B. über­ mäßiger Fluß, etc.); manuelles Abschalten durch autorisier­ tes Personal, ohne physikalischen Zugriff zum Ventil zu benötigen etc.

Im Detail erkennt man, daß das Elektroventil strukturell aus einer großen Anzahl von Komponenten besteht, welche sind:

• - Ventilkörper, welcher die Sitzfläche und den ent­ sprechenden Verschluß aufweist.
• - Verschlußaktivierungsmechanismus.
• - Bi-stabiler elektromechanischer Motor.
• - Steuerelektronik.
• - Externer handbetriebener Hebel.
• - Befehlsleitungen.

Aufgrund dieser Komponenten kann das Elektroventil in den einen der beiden Moden gesetzt werden, die den Arbeitsmoden zum "Umladen" und "Abschalten" des bi-stabilen Motors entsprechen, wobei dieser in den einen oder anderen Modus entsprechend des kodierten Befehles unter Verwendung der Steuerelektronik aktiviert wird.

Es ist ebenfalls ein Hauptmerkmal des obigen bi-stabilen Motors, daß unabhängig davon, ob der Verschluß in einer offenen oder geschlossenen Position ist, der Verschluß auto­ matisch in einen "geschlossenen" Modus geht, falls der Motor in den "Abschalte"-Modus geht, unabhängig von dem Modus oder der Kraft, welche auf dem handbetriebenen Hebel angelegt ist.

Schließlich weist die Erfindung ebenfalls die fundamentale Eigenschaft einer Vorrichtung auf, welche die von der Bedie­ nungsperson angelegte Kraft auf den externen handbetätigten Hebel an die Verschlußwelle überträgt, wodurch diese geöff­ net und geschlossen wird, solange der bi-stabile Motor sich in dem "Umlade"-Modus befindet. Falls dieser Motor sich jedoch in dem "Abschalte"-Modus befindet, wird die an den externen Hebel angelegte Kraft nicht über den Mechanismus an die Verschlußwelle übertragen, wodurch es unnöglich gemacht wird, den Verschluß absichtlich zu öffnen oder zu schließen.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Elektroventils, zusammen mit den weiteren Komponen­ ten;

Fig. 2, 3 und 4 schematische Darstellungen, welche jeweils die Moden "Umladen", "Abschalten" und "Deak­ tivieren" des bi-stabilen Motors zum Steuern des Elektroventils zeigen.

Unter Bezugnahme auf die oben erwähnten Figuren, und insbe­ sondere auf Fig. 1, weist das Elektroventil gemäß der Erfin­ dung einen Ventilkörper 1 auf, der den entsprechenden Ver­ schluß 2, und den Einlauf 3 und den Ablauf 4 aufweist. Mit dem Verschluß verbunden ist ein Aktivierungsmechanismus 5, der als ein schematischer Block dargestellt ist.

Der oben erwähnte Aktivierungsmechanismus 5 wird durch einen bi-stabilen Motor auf einer Seite 6 aktiviert, welche durch eine elektronische Steuerung 7 gesteuert wird, wobei das System über Steuerleitungen 8 und, auf der anderen Seite, einem manuellen Steuerhebel 9 gesteuert ist.

Entsprechend dieser schematischen Darstellung sind die Betriebsweisen wie folgt: Der Verschluß 2 kann in einen der beiden Moden "offen" (erlaubt den Fluß der Flüssigkeit), oder "geschlossen" (stoppt den Fluß der Flüssigkeit) gesetzt sein.

Der bi-stabile Motor kann in einem der beiden Moden "umla­ den" oder "abschalten" entsprechend jeweils den Bezugszei­ chen 6 a und 6 b sein.

Die elektronische Steuerung 7 kann in einem von zwei Moden verbleiben: "aktiviert" oder "deaktiviert".

Der Aktivierungsmechanismus 5 des Verschlusses 2 überträgt die von der Bedienungsperson auf den externen handbetriebe­ nen Hebel 9 angelegte Kraft zur Verschlußwelle und öffnet und schließt diese, solange sich der elektromechanische bi­ stabile Motor in dem "Umlade"-Modus befindet. Falls der oben erwähnte Motor sich in dem anderen Modus "abschalten" befin­ det, wird dieser die Kraft auf dem externen Hebel, welche die Verschlußwelle über den Aktivierungsmechanismus 5 erreicht, stoppen, wodurch der Bedienungsperson nicht erlaubt wird, das Ventil absichtlich zu öffnen oder zu schließen. Desweiteren ist es unabhängig davon, ob der Ver­ schluß offen oder geschlossen ist, falls der bi-stabile Motor in den "Abschalte"-Modus geht, geht der Verschluß automatisch in den "Schließ"-Modus, unabhängig vom Modus oder der auf den handbetätigten Hebel angelegten Kraft.

Damit ist bis hierher ersichtlich, daß das Ventil manuell geöffnet oder geschlossen werden kann, wenn sich der bi-sta­ bile Motor in dem "Umlade"-Modus befindet; und in dem "Abschalte"-Modus stoppt er vollständig, so daß das Ventil vollständig geschlossen verbleibt.

Die elektronische Steuerung kodiert die über die beiden Lei­ tungen 8 von einer Fernsteuerungsstelle empfangenen Befehle, und sendet das benötigte Signal zu dem bi-stabilen Motor 6, so daß dieser sich selbst in einen oder den anderen Modus 6 a oder 6 b setzen kann. Charakteristisch für die elektronische Steuerung kann erwähnt werden:

• - Sie wird über dieselben Leitungen mit Leistung ver­ sorgt, welche die Befehle tragen, und weist keine Batterien auf, oder irgendwelche anderen Elemente, die eine reguläre Wartung benötigen.
• - Benötigt lediglich einen konstanten Verbrauch von wenigen mW.
• - Bewirkt, daß der bi-stabile Motor automatisch in den "Abschalte"-Modus geht (wodurch das Ventil schließt), im Falle eines Kurzschlusses oder eines offenen Kreises der externen Leitungen oder im Falle, daß die dazwischenliegende Spannung ver­ schwindet.
• - Die die Befehle tragenden Leitungen (dieselben, wel­ che die Leistung übertragen) können bis zu 2 km lang gemacht sein, und benötigen keine Abschirmung.
• - Die Kabel können in beliebiger Polung verbunden sein.
• - Sie kann unterschiedliche Verbrauchsraten in den unterschiedlichen Zuständen zeigen, so daß dadurch der Zustand fernüberwacht werden kann.
• - Durch einen vorhergehenden Befehl kann ermöglicht sein, die automatische "Abschalte"-Funktion im Falle eines Verlustes der Leistungsversorgungsspannung oder von Verbindungsfehlern fallenzulassen.

Die Befehle zum Steuern der Leitung sind kodiert, und sind numeriert, wie im folgenden beschrieben. Zwischen beiden Steuerleitungen kann es unabhängig von der Polarität drei unterschiedliche Leistungspegel geben. Diese Pegel sind mit A, B und C bezeichnet (mit ihren Toleranzen). Damit muß fol­ gendermaßen vorgegangen werden:

• - Erlaubnis zum Umladen des Ventilbefehles, d. h., das Kommando zum Setzen des bi-stabilen Motors in den "Umlade"-Modus (Fig. 2). Dieser Befehl besteht aus einer Sequenz von Zuständen von Leistungsunterschie­ den zwischen den Steuerdrähten.
• - Zuerst wird Pegel A gesetzt.
• - Als zweites wird der Pegel A nach B geändert und umgekehrt, entsprechend der kodierten Sequenz.
• - Als drittes wird der Pegel A eingerichtet und belie­ big lange gehalten.

Nach Ausführen dieses Befehles verbleibt die elektronische Steuerung in dem "Aktiv"-Zustand, der bi-stabile Motor ver­ bleibt in dem "Umlade"-Modus, und der Verschluß ändert seinen Modus nicht.

• - Ventilabschaltebefehl, d. h. der Befehl zum Verset­ zen des bi-stabilen Motors in den "Abschalte"-Modus (Fig. 3).
• - Setzen des Pegels C beliebig lange.

Nach Durchführen dieses Befehles verbleibt die elektronische Steuerung in dem Deaktivierungszustand, der bi-stabile Motor verbleibt in dem "Abschalte"-Zustand, und der Verschluß in dem "geschlossenen" Modus.

• - Ventildeaktivierungsbefehl, so daß es ohne Bewirken einer Änderung des Modus′ in dem bi-stabilen Motor gehandhabt werden kann (Fig. 4):
• - Setzen von Pegel B für eine bestimmte Zeitdauer und anschließend Gehen in den Pegel C beliebig lange, oder Fortsetzen in B.

Nach Durchführen dieses Befehles verbleibt die elektronische Steuerung in dem "Deaktivierungs"-Modus, und weder der Ver­ schluß, noch der bi-stabile Motor ändern ihren Modus.

Wie gemäß Fig. 2, 3 und 4 ersichtlich ist, entsprechen die Befehlsachsen den Spannungen (Vi -< Eingangsbefehlspegel, Vc -< abschalten und Vr -< Erlaubnis zum Umladen), während die Abszissenachsen den Zeitdauern entsprechen.

Claims (2)

1. Elektroventil für den Fluß von Flüssigkeiten, welches in einem beliebigen Anwendungsfeld verwendet werden kann, in welchem der Transport oder die Verteilung von Flüssigkeiten zu unzugänglichen Stellen oder schwieri­ gen Stellen benötigt wird, gekennzeichnet durch einen Ventilkörper mit einer Sitzfläche und einem Verschluß, welcher in einen "Offen"-Modus gesetzt werden kann, was den Fluß der Flüssigkeit erlaubt, oder "geschlossen" werden kann, wodurch der Fluß gestoppt wird; wobei der Verschluß mit einem Aktivierungsmechanismus verbunden ist, der durch einen bi-stabilen Motor über eine elektronische Steuerung aktivierbar ist, wobei das System durch zwei Leitungen mit Leistung versorgt ist; wobei die elektronische Steuerung mit den Maßnahmen vorgesehen ist, welche es ermöglichen, auf kodierte Befehle zum Aktivieren des bi-stabilen Motors zu rea­ gieren und ihn in einen der beiden Arbeitsmoden zu setzen: "umladen" oder "abschalten"; mit der einzigar­ tigen Möglichkeit der Verbindung dieses bi-stabilen Mo­ tors, entweder in dem offenen oder dem geschlossenen Modus des Verschlusses zu sein, kann dieser automatisch in den "Geschlossen"-Modus gehen, wenn der bi-stabile Motor sich im "Abschalte"-Modus befindet, wobei sämtli­ ches davon unabhängig von dem Setzen eines manuell be­ triebenen Hebels, welcher mit dem Verschlußaktivie­ rungsmechanismus verbunden ist, durchgeführt ist.

2. Elektroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der manuell betätigbare Hebel mit dem Hauptaktivie­ rungsmechanismus verbunden ist, so daß in dem "Er­ laubnis zum Umladen"-Modus des bi-stabilen Elektromo­ tors der Hebel den manuellen Befehl an den Verschluß über den Hauptaktivierungsmechanismus überträgt; wäh­ rend bei dem "Abschalte"-Modus des bi-stabilen Elektro­ motors das Öffnen oder Schließen des Verschlusses unter Verwendung des betätigten Hebels blockiert ist.