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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Wegeventil mit Positionsermittlung,
die in der Lage ist, Betriebspositionen eines Ventilelementes wie
eines Kolbens zu ermitteln.
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Ein
Wegeventil, das in der Lage ist, die Betriebsstellung eines Ventilelementes
zu ermitteln ist gut bekannt und ist zum Beispiel offenbart in Japanese
Unexamined Utility Model Publication No. 2-66784. Dieses bekannte
Wegeventil besitzt einen Magneten an der äußeren Peripherie eines Ventilelementes
und einen Magnetsensor an einem Gehäuse. Dieses Wegeventil ist
so ausgeführt,
dass, wenn das Ventilelement oder der Kolben sich zu einer Umkehrposition
bewegt, der Magnet sich dem Magnetsensor nähert, und der Magnetsensor
eingeschaltet wird, und wenn sich das Ventilelement in die andere
Umkehrposition bewegt, der Magnet sich vom Magnetsensor weg bewegt,
und der Magnetsensor ausgeschaltet wird. So erfasst dieses Wegeventil,
das das Ventilelement umgekehrt ist durch das Ein/Aus des Magnetsensors.
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Jedoch,
da der Magnet in dem oben beschriebenen konventionellen Steuerventil
an einer Position an der äußeren Peripherie
des Ventilelementes installiert ist, die sich in der Flüssigkeitspassage
befindet, hat der Magnet direkten Kontakt mit der Hydraulikflüssigkeit.
Daher, wenn die Flüssigkeit Wasser,
chemischen Nebel, Partikel von magnetischem Material wie Metallpulver
oder dergleichen enthält,
ist oft das Problem aufgetreten, dass der Kontakt des Magneten mit
diesen Substanzen den Magneten rosten, korrodieren oder die Partikel
adsorbieren lässt,
wodurch die Probleme der Reduzierung der Erfassungsgenauigkeit durch
die Reduzierung der Magnetkraft auftreten oder schlechte Gleitbedingungen
hervorgerufen werden.
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Darüber hinaus,
obwohl die Position des Ventilelementes, das am Ende eines Hubes
platziert ist, durch die Erfassung des Magneten erfasst werden kann,
kann das Wegeventil keine Position des Ventileelementes entlang
eines Hubes bestimmen. Daher, selbst wenn das Ventilelement eine
irreguläre ruckartige
Bewegung auf Grund einer Abnormalität macht, kann es diese Abnormalität nicht
erfassen. Dies hat es schwierig gemacht, geeignete Vorkehrungen
gegen einen Defekt oder einen Ausfall zu treffen, bevor diese auftreten,
und so Probleme für
Wartung und Handhabung geschaffen.
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Zusätzlich ist
der Magnetsensor zur Erfassung des Magneten im Allgemeinen so beschaffen, dass
er eingeschaltet wird, wenn die magnetische Flussdichte über einem
festgelegten Wert liegt, und ausgeschaltet wird, wenn sie unterhalb
eines anderen festgelegten Wertes liegt.
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Daher,
während
des Vorhubes des Ventilelementes wird der Magnetsensor eingeschaltet,
selbst bevor das Ventilelement an einem Hubende ankommt, wenn die
magnetische Flussdichte durch die Annäherung des Magneten größer ist
als der festgelegte Wert, und umgekehrt, während des Rückhubes des Ventilelementes
wird der Magnetsensor ausgeschaltet, selbst bevor das Ventilelement
am Ende des Rückhubes
ankommt, wenn die magnetische Flussdichte geringer wird als der
andere festgelegte Wert, weil sich der Magnet weg bewegt. Daher,
selbst wenn das Ventilelement auf den Punkt genau aus irgendeinem
Grund zu dem Zeitpunkt stoppt, wenn der Magnetsensor ein- oder ausgeschaltet
wird, gibt der Magnetsensor nur ein Ein-/Aus-Signal ab, das anzeigt, dass
das Ventilelement einen Hub vollständig zurückgelegt hat. Es ist somit
für konventionelle
Magnetsensoren unmöglich,
eine Abnormalität
zu erfassen.
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Die
WO92/16756 offenbart ein proportionales mechanisches Stellglied
für eine
Vorrichtung, die linear durch eine Druckflüssigkeit steuerbar ist, das Stellglied
soll zwischen einer Druckquelle und dem zu steuernden Gerät angeschlossen
sein, das einen Proportionalmagneten; eine Vorsteuerungsspindel, die
so angeordnet ist, dass sie durch den Proportionalmagneten zum Öffnen und
Schließen
verschiedener Druckflüssigkeitsleitungen
in einem Vorsteuerungskörper
bewegt werden kann; einen Positionsgeber für die Vorrichtung, der Positionsgeber
ist durch die Vorsteuerungsspindel linear in zwei Richtungen steuerbar,
so dass die Spindel danach strebt, den Positionsgeber in jedem einzelnen
Moment in einer vorgegebenen Position zu halten, die mit einem Steuersignal
korrespondiert, das von einer elektrischen Steuerspindel oder einem
anderen ähnlichen externen
Schaltgerät
des Stellgliedes anliegt, umfasst. Ein Positionssensor, der die
Position des Positionsgebers elektrisch bestimmt, steht in einem
substantiell zylindrischen Mittel zu Verfügung, das einen Raum definiert,
in dem sich der Positionsgeber bewegt, der Positionssensor umfasst
eine Wicklung, die um das Mittel herum angebracht ist.
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Die
EP-A-0366605, die den nächstkommenden
Stand der Technik repräsentiert,
offenbart ein Ventil, wo ein integraler Stab aus dem Ventilelement herausragt
und am anderen Ende einen Magneten trägt. Eine Bewegung des Ventilelementes
bewegt den Magneten in Bezug zu einer Induktionsspule und verursacht
die Generierung einer induzierten Spannung oder eines Stroms in
der Induktionsspule.
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Ein
Wegeventil der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Wegeventil
mit Doppelsteuerung, das eine Positionsbestimmung hat, umfassend
ein Gehäuse
mit einer Vielzahl von Durchlassöffnungen
und ein Ventilloch, zu dem hin alle Durchlassöffnungen offen sind, ein Ventilelement
für die
Umsteuerung der Flüsse
zwischen den Durchlassöffnungen,
das Ventilelement ist im Ventilloch gleitend gelagert, Antriebsmittel
bestehend aus zwei Steuerventilen installiert im Gehäuse für die Umsteuerung
dieses Ventilelementes unter der Einwirkung des Druckes von Steuerflüssigkeit,
eine Detektorspule, einen Detektorkopf, beweglich in Synchronisation
mit dem Ventilelement, und einen Signalverarbeitungskreis für die Bestimmung
der Betriebsposition des Ventilelementes, dadurch gekennzeichnet,
dass die Antriebsmittel aus zwei Kolben bestehen, die Kolben an
den Endseiten des Ventilelementes angebracht sind; dass die Steuerventile
im Gehäuse
am Ende eines ersten der Kolben installiert sind; dass die Detektorspule
zum Generieren eines magnetischen Wechselfeldes dient; dass die
Detektorspule und der Signalverarbeitungskreis an einem nicht-magnetischen
Teil des Gehäuses
angebracht sind, das ein Ende des Gehäuses bildet und das den zweiten
Kolben aufnimmt; dass die Detektorspule an dem nicht-magnetischen
Teil in einer Position angebracht ist, die an den zweiten Kolben
angrenzt; dass der Detektorkopf der Änderung der Impedanz der Detektorspule
dient, indem er sich bezüglich
der Detektorspule bewegt; dass der Detektorkopf ein Element mit
kleinerer Querschnittsfläche beinhaltet
als der zweite Kolben und im Zentrum der Druck aufnehmenden Fläche des
zweiten Kolbens installiert ist; dass der Signalverarbeitungskreis
dem Anlegen einer Wechselspannung an die Detektorspule und zum Bestimmen
der Betriebsposition des Ventilelementes auf Grund der Impedanzänderung der
Detektorspule dient, und dass der Signalverarbeitungskreis an einer
Endseite des nicht-magnetischen Teils angebracht ist und die Detektorspule
abdeckt.
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In
dem Wegeventil, das die oben beschriebenen Merkmale besitzt, kann,
wenn der Detektorkopf, der sich in Synchronisation mit dem Ventilelement bewegt,
sich an die Detektorspule annähert
oder von ihr weg bewegt, sich die Impedanz der Detektorspule in
Reaktion auf die Entfernung vom Detektorkopf ändert, die Betriebsposition
auf Grund dieser Impedanzänderung
bestimmt werden. Es ist dadurch auf Grund der Beziehung zwischen
Betriebsposition und Betriebszeit möglich zu unterscheiden, ob
das Ventilelement normal funktioniert hat oder nicht und dadurch
geeignete Vorkehrungen gegen einen Defekt oder einen Ausfall zu
treffen, bevor sie sich ereignen.
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Da
keine Notwendigkeit besteht, einen Magneten wie in der Technik üblich im
Fluss einer Hydraulikflüssigkeit
anzuordnen, ist es, selbst wenn die Hydraulikflüssigkeit eine hohe Temperatur
hat oder Wasser, chemischen Nebel, magnetische Partikel wie metallische
Pulver oder dergleichen enthält,
unnötig
Gegenmaßnahmen
gegen Rosten oder Korrodieren, Adsorption von magnetischen Partikeln,
Reduzierung der magnetischen Kraft, Änderung der Temperatur etc.
zu treffen. Das gestattet es, ein einfaches Wegeventil mit langer
Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit
zu erzielen.
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In Übereinstimmung
mit einem vorzuziehenden Ausführungsbeispiel
ist die Detektorspule eine Hochfrequenzspule zur Generierung eines
Hochfrequenzmagnetfeldes, und der Detektorkopf ist aus Metall hergestellt.
Alternativ ist die Detektorspule eine Niederfrequenzspule zur Generierung
eines Niederfrequenzmagnetfeldes, und der Detektorkopf ist ein magnetischer
Körper,
der so beschaffen ist, dass er durch die Bewegung des Kolbens in
den Hohlraum der Spule hinein und aus ihm heraus geführt wird.
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Die
Erfindung wird nun weiter beschrieben anhand von Beispielen mit
Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels
des Wegeventils entsprechend der vorliegenden Erfindung ist.
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2 eine
vergrößerte Ansicht
ist, die den Hauptteil von 1 zeigt.
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3 eine
Längsschnittansicht
ist, die den Hauptteil eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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1 und 2 zeigen
das erste Ausführungsbeispiel
des Wegeventils entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Wegeventil,
das hier veranschaulicht wird, ist ein Wegeventil mit Doppelsteuerung,
worin ein Hauptventil 1 durch zwei Steuerventile 2a und 2b umgesteuert
wird.
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Das
Hauptventil 1 ist als 5-Port-Ventil konstruiert und beinhaltet
ein Gehäuse 4.
Das Gehäuse 4 umfasst
ein erstes Bauelement 4a mit annähernd würfelförmiger Form, ein zweites Bauelement 4b, das
mit dem einen Ende des Bauelementes 4a verbunden ist und
das auch als Adapter für
die konzentrierte Installation der zwei Steuerventile 2a und 2b dient,
und ein drittes Bauelement 4c, das mit dem anderen Ende
des ersten Bauelementes 4a verbunden ist und das als Endabdeckung
fungiert. Hier ist zumindest das dritte Bauelement aus nicht-magnetischem
Material hergestellt.
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Ein
Einlassport P und zwei Auslassports E1 und E2 stehen an jeder der
oberen und unteren Oberflächen
des ersten Bauelementes 4a zur Verfügung, und zwei Auslassports
A und B stehen an der anderen Oberfläche zur Verfügung. Im
Inneren des ersten Bauelementes 4a befindet sich ein Ventilloch 5,
zu dem hin jeder dieser Ports, die in axialer Richtung angeordnet
sind, offen ist. Im Ventilloch 5 ist ein Ventilelement
oder ein Kolben 6 gleitend gelagert, das ein Ventilelement
für die
Umsteuerung der Flusspassagen ist.
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An
der äußeren Peripherie
des Ventilelementes 6 gibt es eine Vielzahl von Dichtungselementen 7 für die wechselseitige
Definition von Flusspassagen, die die oben genannten Ports miteinander verbinden,
und an den äußeren Peripherien
von beiden Enden des Ventilelementes 6 gibt es Endverschlusselemente 8 für das Abschotten
der Entlüftungskammern 9 an
den Enden des Ventilelementes 6 von einigen Flusspassagen.
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Andererseits,
im zweiten Bauelement 4b und dritten Bauelement 4c sind
die Kolbenkammern 11a beziehungsweise 11b an den
Positionen, die beiden Enden des Ventilelementes 6 gegenüber liegen
geformt, dass die Kolben 12a und 12b in den entsprechenden
Kolbenkammern 11a und 11b gleitend aufgenommen
werden, jeder stößt an die
entsprechende Endfläche
vom Ventilelement 6.
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An
den Rückseiten
der Kolben 12a und 12b, d.h. an den Teilen, die
sich an den Druck aufnehmenden Flächen gegenüber den Endflächen der
Kolben befinden, die an das Ventilelement 6 angrenzen,
befinden sich die Steuerdruckkammern 13a beziehungsweise 13b.
Zwischen den Kolben 12a und 12b und den Endflächen vom
Ventilelement 6 befinden sich die Entlüftungskammern 9 beziehungsweise 9, die
nach außen
offen sind. Die Druckkammern 13a und 13b sind
hermetisch von den Entlüftungskammern 9 und 9 durch
Kolbendichtungen 15 und 15, die auf den äußeren Peripherien
von Kolben 12a beziehungsweise 12b angebracht
sind, abgeschottet.
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Die
erste Druckkammer 13a, die sich angrenzend an den ersten
Kolben 12a befindet, kommuniziert mit dem Einlassport P über die
Steuerflüssigkeitspassagen 16a und 16b über ein
erstes Steuerventil 2a und eine erste manuelle Betätigungseinrichtung 17a,
während
die zweite Druckkammer 13b, die sich angrenzend an den
zweiten Kolben 12b befindet, mit dem Einlassport P über die
Steuerflüssigkeitspassagen 16a und 16c über ein
zweites Steuerventil 2b und eine zweite manuelle Betätigungseinrichtung 17b kommuniziert.
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Wenn
sich das erste Steuerventil 2a im "Aus"-Zustand
befindet, und wenn sich zur gleichen Zeit das zweite Steuerventil 2b im "Ein"-Zustand befindet,
strömt
die Steuerflüssigkeit
der ersten Druckkammer 13a aus und wird der zweiten Druckkammer 13b zugeführt, so
dass der Ventilelement 6 durch den zweiten Kolben 12b geschoben
wird und nimmt, wie in 1 gezeigt, eine erste Umkehrposition
auf der linken Seite ein. Wenn das erste Steuerventil 2a auf "Ein" geschaltet wird,
und zur gleichen Zeit das zweite Steuerventil 2b auf "Aus" geschaltet wird,
strömt die
Steuerflüssigkeit
der zweiten Druckkammer 13b aus und wird der ersten Druckkammer 13a zugeführt, so
dass das Ventilelement 6 durch den ersten Kolben 12a geschoben
wird und eine zweite Umkehrposition auf der rechten Seite einnimmt.
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Die
oben genannten manuellen Betätigungseinrichtungen 17a und 17b dienen
zur direkten Verbindung der Steuerflüssigkeitspassagen 16a mit 16b oder 16a mit 16c durch
Drücken
eines Betätigungselementes 18 und
realisieren dadurch eine Kommunikation der Druckkammern 13a und 13b mit
dem Einlassport P. Dieser Betriebszustand ist derselbe wie der,
in dem die Steuerventile 2a und 2b beide auf "Ein" geschaltet sind.
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Die
oben beschriebenen Steuerventile 2a und 2b sind
elektromagnetisch betätigte
Solenoidventile für
das Öffnen/Schließen einer
Steuerflüssigkeitspassage
durch Erregen eines Solenoids. Da sein Aufbau und seine Wirkungsweise
mit den bekannten übereinstimmen,
wird eine spezifische Erläuterung
davon unterlassen.
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Das
oben beschriebene Wegeventil besitzt die oben genannte Positionsbestimmungseinrichtung 20 zur
Bestimmung von Betriebspositionen des Ventilelementes 6,
angebracht am Endteil gegenüber
der Seite, wo die beiden Steuerventile 2a und 2b im
Gehäuse 4 montiert
sind. Die Positionsbestimmungseinrichtung 20 umfasst eine
Detektorspule 21 zur Generierung eines magnetischen Wechselfeldes
und einen Signalverarbeitungskreis 22, angebracht am dritten
Bauelement 4c von Gehäuse 4,
und den Detektorkopf 23, der sich am Kolben 12b befindet.
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Die
Detektorspule 21 ist so angeordnet, dass sie sich koaxial
zum zweiten Kolben 12b in einem Gehäuse 25 befindet, das
an der äußeren Oberfläche des
dritten Bauelementes 4c angebracht ist, und generiert ein
Hochfrequenzmagnetfeld in Richtung der Kolbenkammer 11b.
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Andererseits
besteht der Detektorkopf 23 aus einem Metallelement, das
am zentralen Teil der Druck aufnehmenden Fläche des zweiten Kolbens 12b installiert
ist und so beschaffen ist, die Impedanz der Detektorspule 21 durch
Annäherung
an die oder Wegbewegung von der Detektorspule 21 im magnetischen
Wechselfeld zu ändern.
Wenn der zweite Kolben 12b aus Metall besteht, dient der
zweite Kolben 12b selbst als Detektorkopf und folglich
ist es nicht erforderlich, extra so ein Metallelement zu installieren.
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Der
oben beschriebene Signalverarbeitungskreis 22 speist eine
Wechselspannung in die Detektorspule 21 ein, bestimmt Betriebspositionen
des Kolbens 12b (Ventilelement 6) durch die Änderung
der Impedanz der Detektorspule 21 und gibt das Bestimmungssignal
an ein Steuergerät
(nicht dargestellt) ab. Wie Kreise, die dies erfüllen sollen, beinhaltet der Signalverarbeitungskreis 22 einen
Oszillatorkreis, einen Detektorkreis, einen Ausgabekreis oder dergleichen.
Obwohl der Signalverarbeitungskreis 22 an einer anderen
Position angebracht sein kann, als das Wegeventil angebracht ist,
ist er vorzugsweise zusammen mit der Detektorspule 21 an
einer geeigneten Position an Gehäuse 4 des
Wegeventils anzubringen, wie in den Zeichnungen dargestellt.
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In
der oben beschriebenen Positionsbestimmungseinrichtung 20 steigt
die Impedanz der Detektorspule 21 graduell als Reaktion
auf die Entfernung vom Detektorkopf 23 an, wenn sich der
Detektorkopf 23 der Detektorspule 21 durch die
Bewegung des zweiten Kolbens 12b von der Position, die
in 1 dargestellt ist, zur zweiten Umkehrposition
auf der rechten Seite bewegt, und umgekehrt, wenn der Detektorkopf 23 sich
von der Detektorspule 21 durch die Rückkehr des zweiten Kolbens 12b zur
ersten Umkehrposition bewegt, nimmt die Impedanz der Detektorspule 21 graduell
ab. Von der Änderung
der Impedanz der Detektorspule können
daher die Betriebspositionen des zweiten Kolbens 12b und
folglich die des Ventilelementes 6 über den gesamten Hub bestimmt
werden. Dadurch ist es bei vorheriger Eingabe von Daten in den Signalverarbeitungskreis 22 wie Relationen
zwischen der normalen Betriebsposition des Ventilelementes 6 und
der Betriebszeit oder dem maximal zulässigen Limit der Betriebszeit,
die erforderlich ist, um eine bestimmte Position zu erreichen, und
durch Vergleichen der erfassten Ergebnisse mit diesen Daten möglich zu
unterscheiden, ob der Betrieb des Ventilelementes normal oder abnormal
gewesen ist. Das gestattet das Ergreifen von Gegenmaßnahmen
gegen einen Defekt oder Ausfall bevor sie eintreten.
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Auch
werden durch die Anbringung der Detektorspule 21 und des
Signalverarbeitungskreises 22 am dritten Bauelement 4c von
Gehäuse 4 ihre
Reparatur oder ihr Austausch leichter, und in einigen Fällen können sie
als Ganzes ausgetauscht werden, wodurch die Leichtigkeit der Wartung
verbessert wird.
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Hier
können
die Betriebspositionen, die Betriebszeiten etc. des Ventilelementes 6,
die bestimmt wurden, auf einer Displayvorrichtung in Form von Zahlenwerten
oder Grafiken dargestellt werden.
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3 zeigt
den Hauptteil des zweiten Ausführungsbeispiels
des Wegeventils entsprechend der vorliegenden Erfindung. In diesem
Wegeventil umfasst die Positionsbestimmungseinrichtung 20 eine Detektorspule 21a zur
Generierung eines Niederfrequenzmagnetfeldes, einen Detektorkopf 23,
der die Impedanz der Detektorspule 21a ändert und der aus magnetischem
Material besteht und einen Signalverarbeitungskreis 22,
der eine niederfrequente Wechselspannung an die Detektorspule 21a abgibt
und der die Betriebspositionen vom Ventilelement 6 auf Grund
der Änderung
in der Impedanz der Detektorspule 21a bestimmt.
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Die
oben beschriebene Detektorspule 21a ist am vierten Bauelement 4c des
Gehäuses 4,
das aus nicht-magnetischem Material besteht, angebracht, so dass
ein hohler Abschnitt 26, der mit der Kolbenkammer 11b verbunden
ist, in der Detektorspule 21a geschaffen wird. Andererseits
besteht der Detektorkopf 23 aus einem stabartigen Material,
das einen geringeren Durchmesser als der Kolben 12b besitzt,
und ist so installiert, dass er in der axialen Richtung über den
zentralen Abschnitt der Druck aufnehmenden Fläche des Kolbens 12b hinausragt.
Der Detektorkopf 23 ist so beschaffen, dass die Impedanz
der Detektorspule 21a ansteigt oder abfällt, wenn er in Übereinstimmung
mit der Bewegung des Kolbens 12b in den oben genannten
hohlen Abschnitt 26 hinein oder heraus geführt wird.
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Da
die Bedingungen, Wirkungsweisen, Effekte und vorzuziehende Modifikationen
des zweiten Ausführungsbeispiels,
die sich vom vorhergehenden unterscheiden, substantiell die gleichen
sind wie die des ersten Ausführungsbeispiels,
wird deren Beschreibung weggelassen.
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Wie
hier zuvor im Detail beschrieben, ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung möglich,
ohne Einsatz eines Magneten und eines Magnetsensors wie in der konventionellen
Technik, die Betriebspositionen entlang des gesamten Hubes des Ventilelementes
zu bestimmen, indem die Eigenschaft der Impedanzänderung einer Detektorspule genutzt
wird, wenn sich ein Detektorkopf an eine Detektorspule, die ein
magnetisches Wechselfeld generiert, annähert oder von ihr weg bewegt.
Das macht es auf Grund der Relationen zwischen der Betriebsposition
und der Betriebszeit möglich
zu unterscheiden, ob das Ventilelement normal arbeitet oder nicht und
dadurch geeignete Gegenmaßnahmen
gegen einen Defekt oder einen Ausfall zu treffen, bevor diese eintreten.