DE4220967A1 - Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit innerhalb eines Ventilgehäuses angeordneten Ventilstößel-betätigten Ventiltellern, die im geschlossenen Zustand auf Ventilsitzen aufliegen, sowie mit Mitteln zur Erfassung der Ventilstößelpositionen, sowie ein Verfahren zum Betrieb insbesondere eines solchen Ventiles.

Ein Ventil, bei dem Mittel zur Erfassung der Ventilstößelpositionen eingesetzt werden, ist aus der DE-OS 29 42 900 bekannt. Hierbei ist vorgesehen, daß der Ventilstößel bzw. die Ventilstange, die den Ventilteller vom Ventilsitz abhebt oder auf denselben schließt, mit einem Stellungsgeber versehen ist und die Position des Ventilstößels über einen Stellungsmelder ermittelt werden kann. Hierüber läßt sich der Öffnungsgrad des Ventiles, je nachdem in welcher Weise, d. h. magnetisch, optisch usw. die Ventilstößelpositionen ermittelt werden, mehr oder weniger genau bestimmen. Dieses Prinzip stellt sich für den Fall, daß die Position eines einzigen Ventilstößels ermittelt werden soll, noch relativ einfach dar. Von diesem Bekannten ausgehend ergibt sich, daß bei der Verwendung von mehreren Ventilstößeln innerhalb eines Ventiles bzw. Ventilgehäuses für jeden einzelnen Ventilstößel jeweils ein Melder und ein Geber vorgesehen sein muß. Dies kann je nach Ventilart bei der Notwendigkeit der Anordnung mehrerer Stellungsmelder zu einem erheblichen konstruktiven Aufwand führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Mehrzahl von Ventilstößeln die Anzahl der Stellungsmelder zu minimieren und somit den konstruktiven Aufwand auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Die gestellte Aufgabe wird hinsichtlich eines entsprechend ausgestalteten Ventiles erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Betrieb insbesondere eines solchen Ventiles sind im Hinblick auf die optimale Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß die kennzeichnenden Verfahrensmerkmale des Anspruches 7 gegeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung ergibt sich die Lösung der Aufgabe aus der Kombination der Ausbildung eines 3/3-Wegeventiles mit zwei mechanisch unabhängigen Ventilstößeln und die Anordnung der Ventilstößel derart, daß sie auf einer gemeinsamen Achse fluchten und über einen definierten Luftspalt zueinander beabstandet sind, wobei nahe dem Luftspalt in symmetrischer Ausrichtung bezüglich den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Ventilstößel dann ein gemeinsamer Sensor angeordnet ist. Erst die Kombination dieser Merkmale ergibt im Ergebnis, daß man nicht etwa bei zwei Ventilstößeln zwei Sensoren benötigt, sondern daß bei entsprechender geometrischer Anordnung ein einziger Sensor zur Registrierung der Ventilstößelbewegung beider Ventilstößel ausreicht. In vorteilhafter Ausgestaltung sind dabei die Ventilsitze so angeordnet, daß die Öffnungshubrichtungen der beiden Ventilstößel gegensinnig zueinander verlaufen. Der Luftspalt zwischen den beiden Ventilstößeln ist dann dabei so bemessen, daß die Nennweiten bzw. Öffnungsquerschnitte unter Freigabe des vollen Öffnungsquerschnittes den Luftspalt so bemessen, daß das Ventil unter Bildung einer Exklusiv-ODER-Funktion betätigbar ist. Das heißt, der Luftspalt ist so bemessen, daß immer nur eines der beiden Ventilstößel unter Freigabe des vollen Öffnungsquerschnittes betätigbar ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die Mittel zur Erfassung der Ventilstößelpositionen magnetische Mittel derart, daß im Bereich der sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Ventilstößel Permamentmagnete angeordnet sind und der Positionssensor aus einem Magnetfeldsensor besteht. Vorteilhaft ist es außerdem, daß die sich gegenüberliegenden Polflächen der Permamentmagnete gegensinnig zueinander polarisiert sind.

Der gestellten Aufgabe in besonders wirkungsvoller Weise mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil zu genügen, gibt die Erfindung hinsichtlich eines Betriebsverfahrens erfindungsgemäß und in extrem vorteilhaft einfacher Weise vor, daß der Sensorausgangswert, der in der Ruheposition beider Ventilstößel aufgenommen ist, quasi als gedachter Nullpunkt bzw. Referenzpunkt festgelegt wird und daß bei Betrieb des Ventils Betrag und Vorzeichen des Sensorausgangswertes als Entscheidungsparameter welches der Ventilstößel mit welchem Öffnungsgrad betätigt ist, bewertet wird. Gemäß dieser Verfahrensweise sowie der vorgegebenen erfindungsgemäßen Ausbildung des Ventiles können nun mit einem einzigen gemeinsamen Sensor die Ventilstößelpositionen beider Ventile erfaßt werden, unter der Bedingung, daß es sich - wie vorrichtungsmäßig vorgegeben - um ein 3/3-Wegeventil handelt mit der Erfüllung der Exklusiv-ODER-Betätigungsfunktion. Durch die Möglichkeit, den Null- bzw. Referenzpunkt des Sensorausgangswertes bei Ruhelage beider Ventilstößel beliebig oft neu festzulegen, ergibt sich der Vorteil, das Ventil immer wieder neu eichen zu können. Die Erfindung ermöglicht außerdem, daß die Sensorausgangswerte derart auf die Ventilstößelbetätigung zurückgeführt werden können, daß eine stetige Ventilstößelfunktion möglich ist. Mit anderen Worten heißt dies, daß das 3/3-Wegeventil nicht nur reine Schaltfunktion in Exklusiv-ODER vorweist, sondern daß es sich um ein Proportionalventil mit Exklusiv-ODER-Betätigungsfunktion handelt. Das heißt, die Öffnungsquerschnitte können stetig eingestellt und geregelt werden, wodurch der Durchfluß stetig einstellbar ist.

Die vorliegende Erfindung hat damit die Schwierigkeit überwunden, daß die Ermittlung zweier unabhängiger Ventilstößel-Bewegungen durch einen einzigen Sensor im allgemeinen unbestimmt sind. Die genaue Anordnung der Ventilstößel mit Luftspalt und entsprechender Anordnung des Sensors sowie das darauf abgestimmte Betriebsverfahren überwinden diese Schwierigkeit, indem entsprechend der geometrischen Anordnung nun der ermittelte Sensorausgangswert auch zwei Informationen liefert, die dann berücksichtigt werden, nämlich

• a) welcher Ventilstößel betätigt und
• b) mit welchem Öffnungsquerschnitt der entsprechende Ventilstößel betätigt ist.

Besonders wichtig ist dabei diejenige Maßnahme, die vorsieht, daß der Sensorausgangswert, der bei Ruhelage beider Ventilstößel in Schließposition der Ventilteller ermittelt wird, als Ausgangswert elektronisch festgelegt wird.

Ein Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung sowie die Erläuterung des Verfahrens erfolgt anhand der nachfolgenden Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 Teilschnitt durch Ventil mit zwei unabhängigen Ventilstößeln und gemeinsamem Sensor,

Fig. 2 Sensorausgangswert in Abhängigkeit der Ventilstößelpositionen.

Fig. 1 zeigt einen Teilausschnitt aus einem gemäß einer Ausgestaltungsmöglichkeit ausgebildeten Ventil. Das Wesen der Erfindung spiegelt sich hierbei in der entsprechend geometrischen Position aller konstruktiven Elemente zueinander wider. Hierbei kann man sich das gesamte Ventil, welches in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, nun in ein Teilventil X und ein Teilventil Y unterteilt vorstellen. Hierbei ergeben sich somit zwei mechanisch voneinander unabhängige Ventilstößel 1 und 2, wobei jeder Ventilstößel einen Ventilteller 3 bzw. 4 enthält, der auf einem entsprechenden Ventilsitz 5 bzw. 6 angeordnet ist. Die Ventilsitze 5, 6 sind zueinander so ausgerichtet, daß die Betätigungsrichtungen zum Öffnen der Teilventile X, Y gegensinnig zueinander verlaufen. Das heißt, zur Öffnung des Teilventiles Y muß sich der Ventilstößel 2 nach oben bewegen und zum Öffnen des Teilventiles X muß sich der entsprechende Ventilstößel 1 nach unten bewegen. Im Bereich der Stirnflächen der beiden Ventilstößel 1, 2 sind in diesem Falle Permamentmagnete 9 angeordnet, die hierbei in den Stößel eingelassen sind und gleichzeitig die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der beiden Ventilstößel 1, 2 ausmachen. Die Polachsen der beiden Permamentmagnete sind dabei parallel, wobei die Polflächen, die sich gegenüberliegen, gegensinnig polarisiert sind, so daß sich Magnetfeldlinien zwischen den Stirnflächen der beiden Ventilstößel ausbilden, die in diesem Bereich konvergenten statt divergenten Charakter haben. Das heißt, die Feldlinien sind in diesem Falle nicht abstoßender, sondern anziehender Art. Der Sensor 8 ist gesehen in der Ruheposition beider Ventilstößel 1, 2 (d. h. beide Teilventile X, Y geschlossen) genau mittig dazu von der Seite herangeführt. Dieses konstruktive Merkmal ist deshalb wichtig, um letztendlich den Nullabgleich bzw. die Festlegung desjenigen Ausgangswertes des Feldsensors von da ab die Ventilstößelbetätigungen bzw. Positionen erfaßt werden sollen, zu ermöglichen und daß letztendlich auch der Verlauf der Sensorausgangswerte mathematisch punktsymmetrisch zum abgeglichenen Nullpunkt verläuft und somit eine gleichwertige Bewertung der Ventilstößelposition sowohl des Teilventiles X als auch des Teilventiles Y möglich ist. Zum Fernhalten sämtlicher Störwirkungen magnetischer Art, die eine solch feinfühlige Meßmethode negativ beeinflussen könnten, ist in dem Raum A innerhalb des Gehäuses, der in den Arbeitsanschluß des Ventiles mündet, zwischen den Ventilsitzen ein Hohlzylinder 10 angeordnet, der Magnetfeld-abschirmende Wirkung hat und daher aus einem entsprechenden elektrisch leitfähigen Material besteht.

Fig. 2 zeigt inwieweit unter Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens das Ventil gemäß Fig. 1 betrieben wird. Hierzu zeigt Fig. 2 den funktionalen Zusammenhang des Sensorausgangssignales in Abhängigkeit der Ventilstößelpositionen h. Befinden sich beide Ventilstößel 1, 2 in Ruhe, das entspricht hier dem Wert h=0 auf der Abszisse, so ergibt sich am Sensorausgang ein Signal endlichen Betrages. Dieser Betrag wird nun als Ausgangswert für die Ruhelage beider Ventilstößel festgelegt, oder es findet nun eine Verschiebung dieses Punktes durch elektronischen Null-Punkt-Abgleich statt, wobei sich dann ein neues Koordinatensystem ergibt, von dem aus nun die Bewertung der Ventilstößelpositionen erfolgen kann. In diesem Beispiel ist jedoch der Weg gewählt, daß der Wert des Sensorsignals bei h=0 Null festgelegt wird, ohne diesen Punkt bzw. diesen Sensorausgangswert elektronisch zu Null abzugleichen. Wird nun das Teilventil X betätigt, so ergibt sich je nach Öffnungsgrad ein Ausgangswert auf der Teilgeraden, die mit h1 bezeichnet ist, so daß aus dem Betrag des Ausgangswertes der Öffnungsgrad des entsprechenden Ventiles bestimmt werden kann. Wird das Teilventil Y geöffnet, so ergeben sich je nach Öffnungsgrad Sensorausgangssignalwerte auf der Teilgeraden h2. Aus deren Betrag kann dann wiederum der Öffnungsgrad des Teilventiles 2 bestimmt werden. Rein theoretisch gibt es nun zwei Vorgehensweisen, die im Ergebnis jedoch gleich sind. Die eine Vorgehensweise wäre, daß man den Wert des Sensorausgangssignales bei h=0 (beide Teilventile geschlossen) zu Null abgleicht, so daß sich ergibt, daß das Vorzeichen der Werte auf der Teilgeraden h1 positiv und das Vorzeichen auf der Teilgeraden h2 negativ ist. Hierbei wurde sich ergeben, daß die Bewertung des Vorzeichens des gerade gemessenen Sensorsignales die Aussage darüber gibt, welches der beiden Ventilstößel betätigt ist und eine Bewertung des Betrages des Sensorausgangssignales dann die Information liefert, mit welchem Öffnungsgrad das gerade betätigte Teilventil bzw. der gerade betätigten Ventilstößel geöffnet ist.

Der eigentliche elektronische Nullpunktabgleich entfällt jedoch dann, wenn der Sensor ohnehin immer nur positive Ausgangswerte liefert. Hierbei muß dann nur der entsprechende Sensorausgangssignalwert bei h=0, also bei beiden Teilventilen in geschlossener Position, ermittelt und gegebenenfalls abgespeichert werden. Dann ergibt sich die Aussage, welches der beiden Ventilstößel betätigt ist daraus, ob der ermittelte Sensorsignalwert im Teilbereich oberhalb des entsprechenden "Nullpunktes" oder unterhalb des entsprechenden "Nullpunktes" liegt. Das heißt, daß man auch aus dem reinen Betrag des Sensorausgangssignalwertes beide Informationen entnehmen kann, nämlich welches Ventil geöffnet und mit welchem Öffnungsgrad es geöffnet ist. Ganz wesentlich ist an dieser zweiten Vorgehensweise noch, daß der Anwender, der ein solches Ventil beispielsweise in einem umfangreichen Prozeßleitsystem einsetzt, stets die Möglichkeit hat, diesen "Nullpunkt" des Sensorausgangssignales stets, d. h. zu jeder Zeit neu eichen zu können. Dieser so ermittelte Nullpunkt ist dabei datentechnisch abgespeichert, so daß die ermittelten Sensorausgangssignale immer in Relation zu diesem "Nullpunkt" ausgewertet werden und somit stets die exakte Information über den Öffnungsgrad des jeweils betätigten Teilventiles wiedergibt.

Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die sich gegenüberliegenden Polflächen der Permamente auch gleichsinnig polarisiert sind und damit abstoßenden Charakter haben, jedoch ergibt sich eine solch glatte Meßkurve wie sie in Fig. 2 dargestellt ist im wesentlichen nur, wenn die zueinander gerichteten Polflächen gegensinnig polarisiert sind.

Im Ergebnis liefert die Erfindung insbesondere ein 3/3-Wegeventil als stetig bzw. Proportionalventil, welches extrem feinfühlig geregelt werden kann. Die Anwendung solcher feinfühlig geregelter Proportionalventile ist vielfältig. Durch die Verwendbarkeit eines einzigen gemeinsamen Sensors ergibt sich im Ergebnis außerdem eine konstruktiv einfache und kostengünstige Bauform.

Claims (8)

1. Ventil mit innerhalb eines Ventilgehäuses angeordneten Ventilstößel-betätigten Ventiltellern, die im geschlossenen Zustand auf Ventilsitzen aufliegen, sowie mit Mitteln zur Erfassung der Ventilstößelpositionen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mechanisch voneinander unabhängige und jeweils mit mindestens einem Ventilteller (3, 4) versehene Ventilstößel (1, 2) und entsprechend jeweils mindestens ein Ventilsitz (5, 6) unter Bildung eines 3/3-Wegeventils vorgesehen sind, daß die Ventilstößel (1, 2) sich auf einer gemeinsamen Achse fluchtend gegenüberliegen und über einen Luftspalt beabstandet angeordnet sind, daß seitlich nahe dem Luftspalt in symmetrischer Ausrichtung bezüglich beider sich gegenüberliegender Stirnflächen der Ventilstößel (1, 2) ein gemeinsamer, die Position beider Ventilstößel erfassender Stellungssensor (8) angeordnet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitze (5, 6) so zueinander ausgerichtet angeordnet sind, daß die Öffnungs-Hubrichtungen der beiden Ventilstößel (1, 2) gegensinnig zueinander verlaufen.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt und die Nennweiten bzw. Öffnungsquerschnitte der Ventilsitze (5, 6) so bemessen sind, daß jeweils nur eines der beiden Ventilstößel (1, 2) bei Freigabe des vollen Öffnungsquerschnittes unter Bildung einer Exklusiv-ODER-Funktion betätigbar ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilansteuerung und die Ventilstößelbetätigung derart erfolgt, daß das Ventil als Stetigventil betätigbar ist.

5. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstößel (1, 2) im Bereich ihrer sich gegenüberliegenden Stirnflächen mit Permamentmagneten (9) versehen sind und der gemeinsame Stellungssensor (8) als Magnetfeldsensor ausgebildet ist.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polachsen der Permamentmagnete (9) beider Ventilstößel (1, 2) zueinander parallel ausgerichtet sind.

7. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Polflächen der Permamentmagnete (9) gegensinnig zueinander polarisiert sind.

8. Verfahren zum Betrieb eines Ventils, bei dem die Ventilstößellage abgefragt wird, insbesondere eines Ventiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von zwei Ventilstößeln unter Bildung eines 3/3-Wegeventils und gleichzeitiger Erfüllung der Exklusiv-ODER- Betätigungsfunktion der Ventilstößel in Verbindung mit einer stetigen Ventilstößelbetätigung und -erfassung, die Lageermittlung beider Ventilstößel über einen gemeinsamen Stellungssensor erfolgt, indem ausgehend von einem als Referenzpunkt festgelegten Ausgangswert des Stellungssensors, welcher bei Ruheposition beider Ventilstößel aufgenommen ist, der bei Betrieb des Ventiles jeweils ermittelte Ausgangswert des Stellungssensors zur Ermittlung, welches der beiden Ventilstößel betätigt ist und wie weit der entsprechende Ventilstößel betätigt ist, herangezogen wird.