DE4239635C2 - Einrichtung zur Wegerfassung von Ventilstangenbewegungen elektropneumatischer Stellungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wegerfas­ sung von Ventilstangenbewegungen für elektropneu­ matische Stellungsregler.

Wegmeßsysteme zur Erfassung der Ventilstangenbewegung elektropneumatischer Stellungsregler sind im allgemeinen bekannt. Dabei werden zumeist Potentiometer eingesetzt, die über einen entsprechenden mit der Ventilstange gekoppelten Hebelabgriff betätigbar sind. Unter Verwendung von Hebelabgriffen an der Ventilstange sind des weiteren kapazitive Sensoren sowie Differentialtransformatoren zur Erfassung der Ventilstangenbewegung bekannt. Des weiteren sind im Stand der Technik auch induktive Näherungssensoren bekannt, die jedoch nur als reine Positionsschalter dienen. Dabei kann eine Erfassung von Endpositionen erfolgen, nicht aber eine Wegmessung bzw. Registrierung entlang der ganzen Ventilstangenbewegung.

Die Nachteile dieser bekannten Systeme sind vielfältig. Potentiometer sind in der Regel verschleißbehaftet, insbesondere dann, wenn sie im Bereich starker mechanischer Vibrationen eingesetzt werden. Dieser Verschleiß macht sich durch einen zunehmenden Abrieb am Arbeitspunkt des Potentiometers bemerkbar. Die Verwendung von Drehkondensatoren ist sehr teuer, da hierbei aufwendige Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit getroffen werden müssen und außerdem sehr präzise mechanische Lager notwendig sind. Die Verwendung von Differentialtransformatoren ist nachteilig wegen der teuren mechanischen Lagerung, da Querbewegungen des Magneten in der Spule unterdrückt werden müssen. Die zur Versorgung entsprechend notwendige Elektronik ist außerdem zu teuer und hat einen relativ hohen Leistungsverbrauch.

Aus der DE 35 25 199 A1 ist ein induktiver Weggeber bekannt, welcher nach dem klassischen induktiven Verfahren arbeitet. Dabei wird ein keilförmiger Körper aus einem magnetisch permeablen Material im Bereich des Magnetfeldes einer Spule verschoben. Die dadurch hervorgerufene Induktivitätsänderung wird gemessen.

Die Ausnutzung eines magnetischen Feldes hat jedoch zur Folge, daß lediglich kleine Meßwege ausnutzbar sind. Dies bedingt wiederum sehr enge Fertigungstoleranzen der Einrichtung.

Aus der CH 6 76 147 ist es außerdem bekannt, den Abstand eines Objektes zu messen, durch ein von einer hochfrequent erregten Meßspule abhängiges Signal (Wirbelstromdämpfung).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Wegmessung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern zu schaffen, mit dem die Wegerfassung einfacher und zuverlässiger erfolgen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2.

Der Betrieb üblicher induktiver Meßverfahren erfordert letztendlich am Ausgang bzw. vor Ausgang des Gebers eine Leistungsverstärkung des Signales. Bei den vorliegenden Einrichtungen wird hierauf gezielt verzichtet. Hierbei wird eine HF-Oszillation angeregt, die in ihrer Amplitude durch metallische bzw. elektrisch leitfähige Gegenstände beeinflußbar ist. Unter Verwendung eines Ferritkerns und einer Spule als LC-Resonanzkreis wird durch die HF-Oszillation ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei bei Eintauchen oder Bewegen von metallischen bzw. elektrisch leitfähigen Gegenständen in diesem Feld Wirbelstromverluste entstehen, die die entsprechende Oszillation bedämpfen. Die Schwingungsamplitude dieser Oszillation ist somit ein Maß für die Nähe des Sensors zu einem elektrisch leitfähigen bzw. metallischen Gegenstand. Hierbei ist wesentlich das entsprechend demodulierte Oszillatorsignal ohne weitere Ausgangsverstärkung direkt in den Mikrorechner einzuspeisen. Um die Temperaturabhängigkeit dieses genutzten Effektes zu kompensieren erfolgt gleichzeitig eine Temperaturmessung im Bereich des Sensors. In einem Mikrorechner werden dann die gemessenen Oszillatorsignalamplituden sowie die Temperatur korreliert und der letztendlich darauf beziehbare Abstand des Sensors von einem über die Ventilstange mitbewegten metallischen Mitnehmer erfaßt. Da Mikrorechner generell bei Verwendung von elektropneumatischen Stellungsreglern in Prozeßleitsystemen eingesetzt werden, ist der notwendige Mikrorechner vorhanden. In diesem Mikrorechner können dann andere Einflüsse sowie entsprechende Bewegungsvorgaben mitberücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft erweist sich die direkte, d. h. unverstärkte Einspeisung des demodulierten Oszillatorsignales in den Mikrorechner deshalb, weil in diesem Zusammenhang eine direkte Einspeisung in eine Regelung und damit eine Verarbeitung beispielsweise nach dem Fuzzyprinzip möglich ist. Das erfaßte Wegsignal liegt zuverlässig in elektrisch auf Rechnerebene bereits akzeptierbarer Form vor, so daß eine Adaption an softwareunterstützte Regelverfahren extrem einfach möglich ist. Des weiteren ist es auf diese Weise möglich, Nichtlinearitäten der Kennlinie durch eine individuelle Korrektur über beispielsweise einen Tabellenzugriff im Mikrorechner vorzunehmen. Hierdurch werden auch die Einflüsse der an der Messung beteiligten mechanischen Komponenten miterfaßt und ausgeglichen.

Insgesamt ergibt sich für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtungen der Vorteil, daß auf mechanische Koppelelemente zum Sensor gänzlich verzichtet werden kann. Hierdurch ist insbesondere eine vollständige Kapselung des Sensors ohne translatorische oder rotatorische Durchführung möglich, so daß sich ein besonders schmutz- und umgebungsresistentes System ergibt.

In einer Ausführung ist ein elektrisch leitfähiger Körper an der Ventilstange angebracht und wird gemeinsam mit der Ventilstange bewegt. Der Wegsensor ist parallel zur Ventilstange bzw. Ventilstangenbewegungsrichtung ausgerichtet. Der Wegsensor ist ortsfest angeordnet. Die Besonderheit dieser Ausführungsform besteht darin, daß der von der Ventilstange mitgeführte Körper eine Ausnehmung mit charakteristischer Kontur aufweist. Diese Ausnehmung ist kegelförmig und derart in den metallischen Körper eingebracht, daß die Kegelbasis auf vollem Querschnitt offen und dem Wegsensor zugewandt ist. Das Streufeld des Wegsensors ergibt eine "Keule" die in diese kegelförmige Ausnehmung hineinreicht. Wird nun die Ventilstange bewegt, so läuft dieser Streufeldbereich an der Mantelfläche des Kegels wieder wie an einer schiefen Ebene ab. Somit ist diese Bauform wegen der Über- bzw. Untersetzungswirkung dann einsetzbar, wenn der Ventilstangenhub größer oder kleiner als der eigentliche Registrierbereich des Wegsensors ist. Legt man nun einen Schnitt senkrecht zur Kegelachse durch diesen metallischen Körper, so erscheinen im Schnittbild zwei schiefe Ebenen die sich an der Spitze des Kegels treffen. Hierbei ergibt sich nun eine Selbstkompensation des Signales dann, wenn zusätzlich zur Ventilstangenhubrichtung auch noch eine Seitenversetzung vorliegt. Das heißt an der einen schiefen Ebene ist die Streukeule dichter dran und zu der anderen schiefen Ebene ist der Abstand größer, so daß in Summe das Signal dieses Sensors bezüglich der Seitenversetzung der Ventilstange wieder "selbstkompensiert" ist.

Eine alternative Bauform ist dadurch gegeben, daß die Ventilstange über einen Anlenkhebel eine Kurvenscheibe betätigt. Hierbei liegen zwar wieder mechanische Komponenten vor, jedoch erfolgt der letztendliche Abgriff der Bewegung über den Wegsensor wieder berührungslos. Auch hierbei ist die Verschleißreduktion im Hinblick auf die dargestellte Erfindung erreicht. Bei dieser Bauform können u. U. extrem große Ventilstangenhübe ebenfalls von einem induktiven Wegsensor gemessen werden, obwohl dieser nur kurze Reichweiten erfassen kann. Die Kurvenscheibe hat dabei je nach Stellung einen größeren oder kleineren Abstand zum Wegsensor und ist im übrigen ebenfalls aus dem metallischen bzw. elektrisch leitendem Material, um das induktive Prinzip der Meßanordnung zu realisieren.

Die Erfindung sowie alle Alternativlösungen sind in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ventilstange mit parallel ausgerichtetem Wegsensor,

Fig. 2 eine Ventilstange mit kegelförmig ausgenommenem metallischen Körper und parallel ausgerichtetem Wegsensor,

Fig. 3 eine Ventilstange mit Kurvenscheibe und Wegsensor.

Fig. 1 zeigt das Prinzip, bei der der Wegsensor 1 parallel zur Ventilstange 2 ausgerichtet ist. Im Wegsensor 1 ist das wirksame Streufeld 8 entsprechend markiert. An der Ventilstange 2 ist ein metallischer bzw. elektrisch leitfähiger Körper 5 fest angebracht, der mit der Ventilstange 2 mitbewegt wird. Hierdurch wird der metallische bzw. elektrisch leitfähige Körper in dem Streufeld 8 bewegt, und bewirkt somit eine Dämpfung der in dem Wegsensor erzeugten Oszillation. An der Markierung des Streufeldes 8 ist zu erkennen, daß die Reichweite des Streufeldes unter der Maßgabe eines ausreichend großen Signales endlich ist. Diese Streufelderstreckung ist somit der Arbeitsbereich des Wegsensors. Somit muß die Streufelderstreckung bzw. der Arbeitsbereich mindestens gleich groß dem zu detektierenden Hub der Ventilstange sein.

Der Antrieb 3 der Ventilstange 2 kann beispielsweise elektromagnetisch, mechanisch oder pneumatisch sein. Über die Ventilstange 2 wird dann das eigentliche Ventil 4 betätigt.

Ebenfalls dargestellt ist, daß die Wegerfassungseinrichtung in Zweileitertechnik ausgestaltet ist; d. h. am Ausgang des Wegsensors 1 führen zwei elektrische Leitungen 6 zum Mikrorechner 7.

Fig. 2 zeigt eine Ventilstange 2 mit kegelförmig ausgenommenem metallischen Körper 10 und parallel ausgerichtetem Wegsensor 1. Der metallische bzw. elektrisch leitfähige Körper 10 ist hierbei in einem Schnitt dargestellt. Real ist dieser keilförmige Einschnitt 11 rotationssymmetrisch, also kegelförmig. Der Wegsensor 1 ist hierzu parallel zur Ventilstange 2 und in seiner zentrischen Achse zur Kegelspitze hin angeordnet. In Fig. 2 ist eine kompensierende Wirkung bei einer Seitenversetzung der Ventilstange erzielt. Findet nämlich eine Seitenversetzung der Ventilstange durch Ventilspiel statt, so ist der Einflußbereich der hier im Schnitt erscheinenden einen schiefen Ebene größer und der Einfluß der anderen schiefen Ebene kleiner, so daß in Summe das Signal bei Seitenversetzung der Ventilstange unverändert bleibt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung, bei der die Ventilstange 2 während des Hubes über einen Anlenkhebel 12 eine entsprechend gelagerte Kurvenscheibe 13 betätigt, d. h. dreht. Der Wegsensor 1 ist hierbei wiederum ortsfest angeordnet. Die Kurvenscheibe 13 ist dabei so konturiert und angelenkt, daß bei Drehung sich der Abstand der Außenkontur der Kurvenscheibe 13 zum Wegsensor 1 ändert. Dadurch kommt es zu einer drehwinkelabhängigen Dämpfung der Oszillation im Wegsensor, wobei der Drehwinkel wiederum von der Ventilstangenbewegung abhängt. Diese Einrichtung läßt sich beliebig genau durch entsprechende Dimensionierung der Kurvenscheibe und der Hebelanordnung realisieren.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Wegerfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern
mit einem induktiv arbeitenden Sensor (1), der durch einen HF-Oszillator zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes angeregt wird, der mit einem, mit der Ventilstange 2 mitbewegten leitfähigen Körper (5) induktiv zusammenwirkt,
wobei das vom Sensor (1) aufgenommene HF-Signal wegabhängig geändert, temperaturkompensiert, demoduliert und unverstärkt ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrisch leitfähige Körper (5) einen kegelförmigen rotationssymmetrischen Einschnitt (11) besitzt, der zum Sensor (1) hin offen ist,
und der Sensor (1) mit seiner zentrischen Achse parallel zur Ventilstange (2) und zur Spitze des kegelförmigen Einschnitts (11) hin angeordnet ist.

2. Einrichtung zur Wegerfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern
mit einem induktiv arbeitenden Sensor (1), der durch einen HF-Oszillator zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes angeregt wird, der mit einem, mit der Ventilstange 2 mitbewegten leitfähigen Körper (5) induktiv zusammenwirkt,
wobei das vom Sensor (1) aufgenommene HF-Signal wegabhängig geändert, temperaturkompensiert, demoduliert und unverstärkt ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstange (2) während ihres Hubes über einen Anlenkebel (12) eine als elektrisch leifähiger Körper ausgebildete Kurvenscheibe (13) dreht, die so konturiert ist, daß sich bei der Drehung der Abstand zum ortsfesten Sensor (1) ändert.