EP4252262A2 - Device and method for actuating a control element in an environment at risk of explosion or fire, and, based thereon, current-to-pressure converters, solenoid valves, position controllers, control valves and systems - Google Patents

Device and method for actuating a control element in an environment at risk of explosion or fire, and, based thereon, current-to-pressure converters, solenoid valves, position controllers, control valves and systems

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Publication number
EP4252262A2
EP4252262A2 EP21820157.2A EP21820157A EP4252262A2 EP 4252262 A2 EP4252262 A2 EP 4252262A2 EP 21820157 A EP21820157 A EP 21820157A EP 4252262 A2 EP4252262 A2 EP 4252262A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
actuating element
wall
electromagnet
piece
Prior art date
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Pending
Application number
EP21820157.2A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Kolbenschlag
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samson AG
Original Assignee
Samson AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Samson AG filed Critical Samson AG
Publication of EP4252262A2 publication Critical patent/EP4252262A2/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/081Magnetic constructions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/128Encapsulating, encasing or sealing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/14Pivoting armatures

Definitions

  • the invention relates to electromagnetic drives, in particular devices and methods for actuating a control element, which can be operated safely in an environment where there is a risk of explosion or fire, and IP converters, solenoid valves, position controllers, control valves and systems based thereon.
  • Electromagnetic drives convert electrical signals into mechanical movement. They are often made up of a magnetic coil or an electromagnet and a movable armature or actuating element. The electrical power introduced into the coil body determines the position of the armature or actuating element. The power consumption of electromagnetic drives can be very high, at least in the short term. The same applies to the currents and/or voltages that occur.
  • Electromagnetic drives are used in the positioners of control valves, solenoid valves or current-to-pressure converters (IP converters) to control pneumatic or hydraulic components and are therefore in many cases part of a process plant or a power plant. They can be exposed to a variety of operating conditions. These include conditions where a spark, e.g. from a contact on an electromagnetic drive, can ignite explosive vapors. Under such conditions, the operation of electromagnetic drives requires special protective measures. These measures can be distinguished based on their effect:
  • the first group includes protective measures in which the current intensities used and voltages in an electromagnetic drive are limited to values at which the generation of sparks or heat can be ruled out.
  • the intrinsic safety of the drive created in this way is associated with a more complex structure and more expensive circuit components, for example in order to prevent or intercept faults caused by broken wires or short circuits.
  • certain voltage or current ranges are no longer available. This represents a restriction with regard to the forces that can be transmitted to the armature or the actuating element of the drive, the dimensioning of the magnets and/or the speed at which the armature or the actuating element can be moved.
  • electromagnetic drives In order to be considered intrinsically safe, electromagnetic drives must also meet the DIN standard EN 60079-11 - in addition to the general requirements for explosion protection specified in the DIN standard EN 60079-0.
  • the second group of measures includes flameproof housings or capsules for the electrical contacts and components of an electromagnetic drive.
  • the housing or capsules are designed in such a way that they prevent a spark, a flame or an explosion from spreading out of the housing.
  • the pressure resistance of the housing or the capsule can be established by appropriate wall thicknesses and minimum requirements for connecting surfaces or gaps in the housing or the capsule. Both the general requirements of DIN standard EN 60079-0 and the special requirements of DIN standard EN 60079-1 must be observed for a flameproof housing or capsule.
  • the contact of ignitable mixtures of substances or vapors with the electrical contacts or components can be prevented by using inert gas, such as argon, as well as liquid or solid insulating materials.
  • inert gas such as argon
  • these measures are usually expensive and complex. They also justify certain minimum requirements for the geometric structure and the dimensions of the housing (cf. e.g. the requirements for encapsulation specified in DIN standard 60079-18).
  • the protective measures often disrupt the transmission of magnetic forces to the armature or the actuating element.
  • the weakening is due to the larger distances that result from the required wall thicknesses, layer thicknesses or other geometric specifications and have to be overcome in order to transmit the magnetic forces.
  • the materials used for the housing and the protective measures can additionally shield or diffuse the magnetic field.
  • the control element is often restricted in its freedom of movement. As a result, the actuating element can be operated less reliably or only with reduced responsiveness or longer switching times. Additional mechanical components are often necessary to compensate for the limitations in the freedom of movement of the control element. This increases the effort for production, commissioning and maintenance, and also affects the reliability of the drives or with the drives equipped devices.
  • the prior art offers various options for designing explosion-proof electromagnetic drives.
  • This includes the use of encapsulated electromagnets, such as those known from DE 29 26 549 A1 or DE 19843 519 A1.
  • an insulating material including the electrical con tacts and the associated switching elements, contact with flammable vapors or gases is prevented.
  • this type of protection requires additional volume both for the insulating material and for the housing.
  • EP 1 138 994 A2 provides for the use of pressure-resistant housings or capsules, specifically in order to accommodate an electromagnetic drive or a positioner controlled by the drive.
  • the mechanical movement of the actuator or the positioner must be guided out of the housing. However, this is usually only associated with friction losses and wear and has a negative effect on the accuracy and speed with which the actuating element can be moved.
  • the mechanical passage through the housing restricts the freedom of movement of the actuating element.
  • electromagnetic drives are also used in IP converters, such as those described in DE 198 18 336 C1 or DE 102018 123 166 B3.
  • the mechanical movement of the actuating element is used to open an outlet opening of a nozzle in a controlled manner.
  • the nozzle is used to vent a chamber that is supplied with compressed air via a restrictor.
  • the pressure in the chamber can be controlled or regulated by opening the nozzle or venting the chamber in a controlled manner.
  • This pressure represents the working pressure of the IP converter.
  • the working pressure is determined by the current fed into the coil body of the electromagnetic drive.
  • An IP converter is therefore a current(I)-pressure(P) converter and has a current-pressure characteristic.
  • US Pat. No. 5,464,041 A describes a system with multiple valves, the valves being controlled electromagnetically by a single electrical winding in order to realize simultaneous actuation for each of the valves.
  • the permanently magnetized Part of the magnetic circuit involved is used to lock both valves in the operating state in which they have been actuated.
  • US Pat. No. 5,450,871 A describes an electromagnetically actuated valve construction in which a single magnetic circuit magnetically connects multiple valve elements so that a single electrical excitation coupled to the single magnetic circuit can control multiple valves simultaneously.
  • the publication US 5,139,226 describes an electromagnetic fluid control valve with a valve body with an internal cavity and at least two openings through which a fluid can be selectively directed.
  • the cross-sectional areas of the core, in which a magnetic flux can be generated, and of the movable magnet armature are selected in such a way that the flux lines are efficiently limited.
  • the resulting high flux density serves to maximize the force exerted on the armature and minimize the mass of the armature, which in turn maximizes the speed of the armature.
  • a flameproof version of the three valve designs just described could also be achieved by casting or encasing the electromagnet, including the electrical contacts and the associated switching elements, with an insulating material.
  • the published specification US Pat. No. 5,464,041 A mentions epoxy resin as an example.
  • this type of protection requires additional volume for the insulating material.
  • the object of the invention is to safely and reliably actuate an actuating element using simple means with the aid of an electromagnet in an environment at risk of explosion or fire.
  • the device includes a first housing having a wall and an electromagnet, with the electromagnet being disposed within the first housing.
  • a second housing is arranged on the wall outside of the first housing in which the electromagnet is located.
  • the actuating element is arranged on the second housing.
  • the device has at least one flux-conducting piece, with at least one of the flux-conducting pieces being arranged in such a way that it can be magnetized by a magnetic field inside the electromagnet.
  • the at least one flux conducting piece which can be magnetized by the magnetic field inside the electromagnet, is guided through the wall of the first housing and the second housing.
  • the first housing and the passage of the flux guide piece through the wall of the first housing are designed to be flameproof.
  • the part of the at least one flux guide piece that is routed through the wall of the first housing and the second housing is designed in one piece.
  • the actuating element is arranged outside of the first housing and is designed in such a way that it can be actuated by means of the magnetic field that is conducted out of the first housing with the aid of the at least one flux-conducting piece.
  • the electromagnet and any existing contact points for the energy supply of the electromagnet are in an ignition-proof space and thus the components of the device that absorb the highest electrical power or the highest current intensities and may generate sparks or heat up.
  • the control element and any other mechanical, pneumatic and/or hydraulic components are located outside the flameproof room (e.g. a pneumatic or fluid control or switching unit, which is actuated by means of the control element or the magnetic field conducted from the first housing). This not only simplifies the installation and maintenance of these components, but also makes it possible to reduce the size of the first housing.
  • the at least one flux conducting piece optimizes and/or amplifies the force that can be exerted on the actuating element with the aid of the electromagnet through the first housing or the second housing. Disturbing influences such as, for example, due to friction in the guidance of the adjusting element or impacts on the adjusting element (for example due to pressure fluctuations in a compressed air supply that may be controlled by the adjusting element) can be better compensated for in this way.
  • the actuating element can be positioned more precisely. It can also be accelerated and moved more quickly from one position to another. The actuating element can thus be actuated more reliably, more quickly and with greater accuracy, with the flameproof design of the first housing and the implementation of the flow guide piece ensuring safe operation of the device in the explosion or fire risk environment.
  • the actuating element can consist of a magnetizable or magnetically conductive material or only comprise one or more magnetizable parts.
  • the magnetizable part or parts of the actuating element are preferably located as close as possible to the at least one flux conducting piece, in particular the part of the flux conducting piece that is led out of the first housing and is therefore in the area outside of the first housing, which - at least in preferred embodiments - is can be most strongly influenced by the electromagnet.
  • the passage of the at least one flux guide piece can be designed in such a way that the flux guide piece ends flush with the wall of the second housing to the outside.
  • the flux guide piece can protrude beyond the wall of the second housing. In this case, it can be carried out, for example, using drill holes in the wall of the first housing and the second housing.
  • the boreholes in the first housing must be made with a precise fit so that the wall or the first housing remains unaffected by ignition.
  • the flux guide or a part of the flux guide can also be equipped with an adjusting device or a fine thread in order to be able to set or vary the distance between the flux guide and the actuating element.
  • the flux conducting piece can also only be guided into the wall of the first housing and/or into the second housing so far that the magnetic field generated by the electromagnet can exit or be led out of the first housing and/or the second housing without significant losses. In this way, continuous gaps can be avoided when the at least one flux guide piece is fed through, i.e. the guidance of the flux guide piece in the wall of the first housing and/or the second housing is closed to the outside.
  • the at least one flux guide piece or a part thereof can form the core of the electromagnet. It can be a straight cylindrical rod. It can also have a pole shoe.
  • the pole piece can be either flattened or rounded. Its shape can be designed in such a way that it interacts with a corresponding shape of the actuating element. In this way, the transmission of the magnetic force of the electromagnet to the actuating element can be improved.
  • the part of the at least one flux conducting piece that is routed through the wall of the first housing and the second housing is designed in one piece in order to avoid an interruption in the magnetic conductors and the associated To avoid losses in the transmission of the magnetic force of the electromagnet on the actuator.
  • the actuating element can consist of a magnetically conductive material.
  • the adjusting element and the at least one flux conducting piece can be arranged in such a way that the adjusting element can close the magnetic circuit, which is formed by the at least one flux conducting piece and the adjusting element, at least in one position.
  • the closing of the magnetic circuit can be complete, i.e. the control element is in contact with both flux guide pieces at the same time or touches them.
  • the greatest force can usually be exerted on the actuating element in or near this position.
  • the first housing with the flux conducting piece running through it forms a flameproof room. It can be designed to be pressure-resistant or meet DIN standard 60079-1. Wei direct measures to secure the device can thus often be omitted. This applies in particular to measures that prevent explosive vapors and/or flammable mixtures of substances from penetrating into the first housing. Finally, the flameproof design not only ensures that a spark occurring inside the first housing does not spread beyond the first housing and the passage of the flux conducting piece, but also that a flame or explosion occurring inside the first housing remains trapped.
  • the wall thickness to be selected for the first housing or the wall of the first housing depends on the material used, the volume enclosed by the first housing and the type of flammable or explosive substances. Typical wall thicknesses range from 9 to 12 mm (see DIN standard EN 60079-1).
  • the first housing and/or the wall of the first housing and/or the second housing can be made of a magnetically non-conductive material, in particular a paramagnetic or diamagnetic material such as aluminum, brass, copper, a magnetically non-conductive material, e.g Austenitic stainless steel or a magnetically non-conductive plastic such as polyethylene or acrylic glass.
  • a magnetically non-conductive material such as aluminum, brass, copper
  • a magnetically non-conductive material e.g Austenitic stainless steel or a magnetically non-conductive plastic such as polyethylene or acrylic glass.
  • the at least one flow guide piece guided through the first housing and the second housing can be secured against slipping out of the first housing and/or the second housing. This can be achieved by anchoring the flux guide.
  • the flux guide piece can also have a conically shaped area with a correspondingly shaped recess in the wall of the first housing or the second housing. It may alternatively have a projection or step which engages the wall of the first housing or the second housing when a force acts on the flux guide which would push it out of the first housing or the second housing respectively.
  • helical configurations of the flux guide (with corresponding counter-windings in the wall of the first housing or of the second housing) or abutments can be provided.
  • the actuating element can be mounted such that it can tilt or rotate and/or can be held in a position above the at least one flux guide piece guided through the first housing and the second housing with the aid of springs.
  • the flux guide piece can also be designed in such a way that it protrudes from the second housing and is used to mount the actuating element. In this way it can be ensured that the actuating element closes the magnetic circuit in at least one position either completely or except for a (residual) gap.
  • the storage can be configured differently.
  • the flux guide projects 0.5 to 1 mm out of the second housing, in order to achieve a movement of a typical control element of 1 to 2° or a stroke of approx. 50 to allow until 60 pm.
  • the device or the flux guide can also be equipped with means (e.g. a (fine) thread for axial adjustment) with which it is possible to set how far the flux guide protrudes from the wall of the first housing or the second housing. In this way, the distance between the actuating element and the flow guide piece can be optimally set or readjusted.
  • means e.g. a (fine) thread for axial adjustment
  • the actuating element can have a window-shaped cutout which is designed in such a way that it only rests at two points on the flux guide piece, which is used to mount the actuating element. If the flux guide piece has a circular cross-section of the support surface at the upper end, this can be achieved, for example, by a rectangular or stadium-shaped cutout, and vice versa. In this way, complex and/or expensive components for the articulated mounting of the actuating element can be avoided.
  • the device can have guide pins for fixing the actuating element at the two previously mentioned support points on the flux guide piece.
  • the actuating element can have incisions or openings corresponding to the guide pins, for example a circular hole and a slot for guiding cylindrical guide pins.
  • the fixation can be done by nuts that are screwed onto the guide pins, or include other elements such as a cap.
  • the actuating element can be fixed by a spring which depresses the actuating element.
  • Advantageous developments also have a counterweight for balancing the actuating element mounted on the flux guide piece.
  • the electrical com ponents, switches and controls and contacts that rule with the flammable mixtures of explosive or explosive environment can come into contact. Accordingly, these components, elements and contacts do not have to be designed to be intrinsically safe (e.g. in the sense of standard 60079-11). This does not apply to feed lines for control signals or the supply of electrical energy. They can usually be made intrinsically safe or explosion-proof with little effort and routed through the first housing in a flameproof manner.
  • the device includes a controller for the Elek romagneten, which is also located in the first housing.
  • a battery can also be provided in the first housing, so that the device can be operated reliably even in the event of a malfunction.
  • the controller is designed in such a way that it can be addressed wirelessly (e.g. via a WLAN, radio and/or Bluetooth interface), it is possible in many cases to dispense with feeding lines through the first housing. This also applies to a wireless power supply for the control unit and/or the battery, e.g. via an interface that can be inductively coupled to external power supply units.
  • the device can have an outlet opening for a fluid, the actuating element being designed and arranged such that the flow of a fluid through the outlet opening can be controlled or regulated by actuating the actuating element.
  • the actuating element can be a baffle plate in the region of the outlet opening, which can be pressed onto the outlet opening to close it with the aid of the electromagnet. The baffle plate can be lifted to open.
  • the flow of fluid through the outlet opening can also be regulated in this way, with the help of the coil body of the device introduced electrical power.
  • the outlet opening can be the outlet opening of a nozzle.
  • the nozzle can be equipped with a fine thread for setting and readjusting the distance between the nozzle and the actuating element of the device, in particular the baffle plate. Among other things, this allows the tightness to be adjusted when the baffle plate is closed.
  • the proposed device can include a further flow guide.
  • the further flux conducting piece is guided through the wall of the first housing and the second housing, with the part of the further flux conducting piece that is guided through the wall of the first housing and the second housing being made in one piece and the passage of the further flux conducting piece through the wall of the first housing being designed to be flameproof .
  • the further flux conducting piece is also connected in the first housing to the at least one flux conducting piece, which can be magnetized by the magnetic field inside the electromagnet. In this way, together with the actuating element, a magnetic circuit can be constructed which has fewer interruptions, in particular fewer parasitic air gaps, or in which the number of interruptions in the circuit is reduced.
  • only a single, one-piece flow guide piece can be arranged in the first housing.
  • This is typically U-shaped and is guided with the two free ends of the U, ie twice, through the wall of the first housing and the second housing.
  • the parts of the at least one flux conducting piece that are routed through the wall of the first housing and the second housing are designed in one piece and the two passages of the flux conducting piece through the wall of the first housing are designed to be flammable. Due to the one-piece design, there are even fewer parasitic and thus potentially disruptive air gaps.
  • the device can be part of a solenoid valve, e.g. a 2/2-way valve, an IP converter, a positioner, a control valve or a system. It can be designed both as an integral and as a modular component.
  • the first housing or the second housing can accommodate further contacts and control elements of the solenoid valve, IP converter, position controller, control valve or the system and enclose them in a flameproof manner. Additional or further measures to protect the further contacts and control elements can thus be dispensed with.
  • the object is also achieved by a method for actuating an actuating element in an environment where there is a risk of explosion or fire, the method comprising the following steps: 1.
  • a device according to the invention for actuating an actuating element in an environment at risk of explosion or fire is provided;
  • the electrical power fed into the electromagnet is adjusted in such a way that the actuating element moves into a position corresponding to the specified manipulated variable.
  • the specified control variable can be an open/close position, i.e. the control element is only moved back and forth between two positions in the application, e.g. to open or close an outlet opening.
  • the manipulated variable can also be a position of the control element between an open and a closed position, e.g. to regulate the flow through an outlet opening.
  • the predetermined position can be reached by a lifting, rocking and/or rotating movement of the actuating element.
  • the manipulated variable can also be a position of a valve member, a pressure, a temperature and/or a flow rate.
  • the electromagnet of a device according to the invention can be operated with direct current.
  • operation with direct current leads to non-linear force-displacement or force-stroke characteristics.
  • This can be used to adapt the precision with which the actuating element can be positioned to the application, e.g. to be able to control or regulate the actuating element close to a closed position with greater precision than in other positions in which precise positioning of the Control element is less critical.
  • Changing the operating mode e.g. from operation with direct current to operation with alternating current, is also conceivable.
  • the various force-displacement characteristics resulting from the two operating modes can be combined as required.
  • a method according to the invention for actuating an actuating element of an inventive can be used to control or regulate an IP converter, a solenoid valve, a positioner, a control valve and/or a system. Due to the flameproof design of the device, the control or regulation can take place in areas where there is a risk of explosion or fire.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for actuating an actuating element
  • FIG. 2 shows a cover of the device from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a detail of the device from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a further view of the detail of the device from FIG. 1 ;
  • FIG. 5 shows a flow chart of a method for actuating an actuating element
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a device according to the invention for actuating an actuating element
  • FIG. 7 shows a detail of an alternative embodiment of a device according to the invention for actuating an actuating element
  • FIG. 1 shows a device 100 according to the invention for actuating an actuating element 110 in an IP converter.
  • the device 100 comprises a first housing 120 with a wall 125.
  • the wall 125 forms a cover of the first housing 120 which can be removed for installation or maintenance of the device 100.
  • FIG. Accordingly, there are connecting gaps 127 between the wall 125 and the remaining part of the first housing 120.
  • the first housing 120, the wall 125 and the connecting gaps 127 are designed to be flameproof.
  • the electromagnet 130 is connected via a connecting line 140 to a controller 150.
  • the control 150 supplies the electromagnet 130 via the connecting line 140 with electrical Energy.
  • the control unit 150 can control the electromagnet 130, in particular the strength of the magnetic field generated by the electromagnet 130, via the electrical power introduced into the electromagnet 130 in this way.
  • the electrical energy required for this is provided via a supply line (not shown).
  • the supply line is routed through the first housing 120 in a flameproof manner.
  • commands or sensor data are transmitted to the control unit 150 via a data line (not shown), which is also passed through the first housing 120 in a flameproof manner.
  • the electromagnet 130 has a core 162 which is formed by a flux guide piece 160 .
  • the flux conducting piece 160 has a pole shoe 161 .
  • the pole shoe 161 is guided through the wall 125 in an impact-proof manner.
  • the device 100 has a further flux-conducting piece 165 with a further pole shoe 166 and a magnetically conductive connecting piece 167 .
  • the further flux conducting piece 165 is arranged parallel to the flux conducting piece 160 next to the electromagnet 130 .
  • Its pole shoe 166 is also guided through the wall 125 in a flameproof manner.
  • the magnetically conductive connector 167 is either lightly pressed onto the flux guides 160 and 165 (as shown) or connected to the flux guides 160 and 165 by means of locking devices.
  • the flux guide pieces 160 and 165 have adjusting devices 163 and 168 .
  • the adjusting devices 163 and 168 can be used to set how far the pole shoe 161 of the flux-conducting piece 160 and/or the pole shoe 166 of the flux-conducting piece 165 protrude from the first housing 120 or the wall 125.
  • the actuating element 110 is mounted on the pole shoe 161 like a rocker. It does not lie centrally on the pole shoe 161 but at a point that is close to one end of the actuating element 110 .
  • a counterweight 170 is used to balance this asymmetrical position.
  • the bearing is carried out with the aid of a spring, the spring being fixed to a cap 180 by means of a bolt 182 .
  • the spring presses the counterweight 170 against the actuating element 110 and the actuating element 110 against the point at which the actuating element 110 rests on the pole shoe 161 .
  • the cap 180 with the bolt 182 also has a set screw 185 .
  • the adjusting screw 185 limits the freedom of movement of the adjusting element 110, wherein the range of motion can be varied using the adjusting screw 185 as required.
  • the actuating element 110 can be pressed onto an outlet opening 195 of a nozzle 190 with the aid of the electromagnet 130 .
  • the outlet opening 195 of the nozzle 190 can be completely covered by the actuating element 110 .
  • the nozzle 190 has a chamber 197 .
  • the chamber 197 is formed by a second housing 198 Ge.
  • the second housing 198 is on the wall 125 of the device 100 is introduced.
  • the nozzle 190 and the second housing 198 can be considered part of the device 100 in this embodiment. In other embodiments, however, they can also be formed as part of the IP converter in which the device 100 is used.
  • the pole shoe 161 of the flux conducting piece 160 is used to mount the actuator 110 like a rocker.
  • the other pole piece 166 closes flat with the second housing 198 Ge. In this way it can be ensured that there is an air gap between the actuating element 110 and the further pole shoe 166 in every position of the actuating element 110 .
  • the size of the air gap can be varied using the adjustment device 168 .
  • the electrical coil or the electromagnet 130 and its control 150 are located in a completely flameproof encapsulated space, i.e. precisely the components that require the highest electrical power within the system or the environment at risk of explosion or fire , record and/or distribute via contact points are located in the completely flameproof encapsulated room.
  • the mechanical or pneumatic components, in particular the actuating element 110 and the nozzle 190, are located outside of the flameproof encapsulated space. This not only facilitates the installation and maintenance of these components, but also enables the size of the first housing 120 to be reduced.
  • the flux conducting piece 160, the further flux conducting piece 165 and the magnetically conductive connecting piece 167 can be magnetized using the electromagnet 130.
  • the magnetization is proportional to the current applied to the electromagnet 130 .
  • the magnetization is transmitted to the actuating element 110 by the pole shoe 161 .
  • the actuating element 110, the flux conducting piece 160, the further flux conducting piece 165 and the magnetically conductive connecting piece 167 form a magnetic circuit which is only interrupted by an air gap between the further pole shoe 166 and the actuating element 110.
  • the force that the electromagnet 130 can exert on the actuating element 110 depends on the size of the air gap and is greatest when the distance between the actuating element 110 and the further pole shoe 166 is at its smallest.
  • the air gap is dimensioned in such a way that the covering of the outlet opening 195 by the actuating element 110 can be controlled or regulated in any position with almost the same accuracy and with only slight delays or switching times.
  • the flux conducting piece 160 is formed by the core 162 of the electromagnet 130 and by the pole piece 161 .
  • the core of the electromagnet 130 can also be formed by the additional flux conducting piece 165 .
  • the position of the electromagnet 130 plays no role in the case of magnetically ideally conducting flux guide pieces.
  • Fig. 2 shows a view of a cover 200 of the device 100.
  • the cover 200 includes the actuating element 110, the wall 125, the electromagnet 130 and the nozzle 190.
  • the view 12 illustrates that the lid 200 can be lifted or pulled out of the first housing 120 as a whole.
  • the view also shows that the adjusting element 110 covers the nozzle 190 according to the baffle plate principle.
  • the adjusting element 110 is designed as a baffle plate at the end that is located above the nozzle 190 .
  • the actuator 110 is controlled by the current through the electromagnet 130 and the force exerted by the electromagnet 130 on the actuator 110 magnetic force. You can completely close the outlet opening 195 of the nozzle 190 (closed position).
  • the electromagnet 130 is switched off, i.e. when no current is flowing through the electromagnet 130 and the flux conducting piece is not magnetized, and provided that the chamber 197 is supplied with compressed air
  • the actuating element 110 is activated by the dynamic pressure exerted by the compressed air between the outlet opening 195 and the actuating element 110 raised to the position which is determined by the position of the adjusting screw 185 (open position).
  • the actuating element 110 can also assume any position in between.
  • Fig. 3 shows a detail 300 of the lid 200 or the device 100, wherein the counterweight 170 and the cap 180 have been removed to allow a plan view of the storage of the Stel lelements 110, in particular on a rectangular provided for this purpose window-shaped cutout 305.
  • Detail 300 includes a section 310 of pole shoe 161 and a section 320 of pole shoe 166. Sections 310 and 320 are those parts of pole shoes 161 and 166 that are guided through wall 125 in device 100. Both sections taper gradually.
  • the actuating element 110 can be mounted on the pole shoe 161 at two points with the aid of the cylindrical section 310 projecting beyond the cover 125 and the rectangular window-shaped cutout 305 .
  • Two guide pins 370 are provided for fixing the actuating element 110 at the two points.
  • the guide pins 370 can be guided through a circular hole 350 and a slot 360 in the actuating element 110 .
  • the guide pins 370 and the window-shaped cutout 305 are arranged in such a way that the actuating element 110 is mounted on the pole shoe 161 in the manner of a seesaw or rotatably about the axis formed by the support points.
  • the sections 310 and 320 also have steps 330 .
  • the steps 330 are formed through the use of different radii in the cylindrical design of sections 310 and 320 .
  • the passage of the pole shoes 161 and 166 through the wall 125 of the first housing 120 takes place with the aid of two boreholes, which are also designed with different radii, so that the steps 330 can engage in corresponding steps of the boreholes. In this way, the pole shoes 161 and 166 are secured against slipping out of the first housing 120 .
  • Figure 4 shows another view of detail 300.
  • the view illustrates the situation of the circular hole 350 and the elongated hole 360 with respect to the support points of the actuating element 110 on the pole shoe 161.
  • the centers of the guide pins (370) lie on an axis formed by the support points.
  • the positioning element 110 is thus fixed via a linear support and thus allows tilting like a seesaw.
  • the circular hole 350 and the slot 360 are slightly larger in diameter or slot width than the outer diameter of the guide pins 370. This prevents rubbing or jamming and ensures the necessary freedom of movement for tilting the adjusting element 110.
  • FIG. 5 shows a flow chart of a method 500 for actuating an actuating element 110 by means of the device 100.
  • a first step 510 the IP converter with the device 100 is provided.
  • a (working) pressure is specified, and thus also a specific position of actuating element 110.
  • controller 150 of device 100 then controls the current through electromagnet 130 in order to generate a magnetic field that Actuating element 110 is moved into the position determined by the predetermined pressure, so that the predetermined pressure in chamber 197 is established.
  • the position determined in step 520 by the specified pressure is a position between the closed and the open position of the actuating element 110, including the closed or open position.
  • the magnetic field generated by the electromagnet 130 exerts a force on the actuating element 110 in step 530, which moves the actuating element into the position determined by the predetermined pressure or, if the actuating element 110 is already in this position, holds it there.
  • the actuating element 110 is caused to perform a tilting movement about the axis defined by the two support points if the actuating element 110 is not already in the predetermined position or position.
  • the current strength required to reach or hold the position of the actuating element 110 can be determined by the controller 150 using a current-pressure characteristic curve that was measured before the IP converter or the device 100 was provided and stored in a memory unit of the controller 150 . However, it is often operated in a control mode in which it changes the current strength based on a feedback signal until the desired pressure is reached.
  • FIG. 6 shows a device 600 according to the invention, which is constructed very similarly to the device 100 .
  • the device 600 has a wall 625 .
  • the wall 625 represents a one-piece design of the wall 125 and the second housing 198 of the device 100. Additional steps for assembling the second housing 198 can thus be omitted.
  • the 625 wall can withstand greater loads than the 125 wall. This also applies if the second housing 198 is fixed to the wall 125, and in particular for the connection of the second housing 198 to the wall 125.
  • FIG. 7 shows a detail 700 of an alternative embodiment of a device according to the invention for actuating an actuating element.
  • the detail 700 includes a wall 725.
  • a flux conducting piece 760 with a pole shoe 761 and a flux conducting piece 765 with a pole shoe 766 are guided through the wall 725 in a flameproof manner.
  • the flux guide pieces 760 and 765 are not connected via a magnetically conductive connection piece 167, but directly to one another. In this way, the number of parasitic air gaps between the magnetically conductive components of the device can be reduced.
  • Fig. 8 shows a detail 800 of a further alternative embodiment of a device according to the invention for operating an actuator.
  • the detail 800 also includes a wall 825.
  • a flux guide piece 860 with a pole shoe 861 and a pole shoe 866 is guided through the wall 825 in a flameproof manner.
  • the pole shoes 861 and 866 are directly connected to one another by the one-piece, U-shaped design of the flux guide piece 860, i.e. there are no parasitic air gaps between the pole shoes 861 and 866.
  • Pressure-resistant or pressure-resistant encapsulation refers to the design of devices according to a type of protection whose function is based on the containment of an explosion that may occur inside the housing. This is achieved through an explosion-proof design of the housing together with flameproof gaps at all housing openings, e.g. at the shaft bushing in a motor. Furthermore, the surface temperature must be limited below the ignition temperature of the surrounding potentially explosive atmosphere even if an expected fault occurs. The requirements of this type of protection are described in the standard EN 60079-1.
  • An electromagnet is a magnet that contains a coil in which a magnetic field can form as a result of an electrical current.
  • electromagnets have a core that guides and strengthens the magnetic field created by the current flow.
  • the core is usually formed by a flux guide.
  • Electromagnets are used as actuating magnets in tension, folding or plunger armatures, in relays or fuses. Other applications relate to electric motors, separators or Helmholtz coils.
  • An explosion is a process of rapid outward expansion in volume combined with the release of large amounts of energy, usually generating high temperatures and releasing pressure and kinetic energy.
  • Supersonic explosions produced by high explosives are called detonations and occur via shock waves.
  • Subsonic explosions are created from low explosives by a slower combustion process called deflagration.
  • a flux guide is a component made of a soft magnetic material which, as a result of this property, concentrates (increases) or (further) conducts a magnetic flux of a magnetic field acting on the flux guide.
  • Flux guides are used, for example, in electromagnets, electric motors or generators. Flux guides can be rod-, cylinder- or horseshoe-shaped. IP converter
  • IP converter is an electric-pneumatic converter.
  • IP converters have an electromagnet, a magnetic yoke and a tiltable or longitudinally movable adjusting element.
  • An outlet nozzle can be closed and released again by the actuating element, this taking place as a function of the pneumatic force repelling the actuating element and the magnetic force attracting the actuating element.
  • IP converters are supplied with compressed air with a pre-pressure Pv.
  • the outlet air pressure Pa is set by opening or closing the outlet nozzle.
  • a pole shoe is a component made of a soft magnetic material that is used to allow the magnetic field lines of a permanent or electromagnet or a flux guide to emerge and distribute them in a defined form.
  • An actuator is an element that is used to actuate and release mechanical, pneumatic, hydraulic or electrical devices, e.g. to open or close an outlet opening or to switch fuses or relays.
  • Soft magnetic materials are materials with high permeability that can be magnetized and demagnetized easily. They amplify magnetic fields by their permeability and are characterized by low coercive and/or remanent field strengths.
  • the soft magnetic materials include the so-called soft iron, electrical or dynamo sheets and steels with a low carbon content or added silicon (FeSi), iron alloys such as FeNi, FeCo, FeAl or FeAlSi and ferrites. flameproof implementation
  • a flameproof feedthrough is a feedthrough of a component through a housing in which gaps and openings between the component passed through and the housing are designed or constructed in such a way that sparks or flames are prevented or not possible from spreading through the gaps or openings is.
  • Ignition safety can be achieved by casting or plugging the gaps or openings with an insulating material that prevents the spread of sparks or flames through the gaps or openings. It can also be made by reducing the gaps and openings to a level that allows penetration of a spark or flame prevent or in which a spark and/or a flame penetrating into the gap or opening is extinguished due to the geometric dimensions and/or shape. type of protection
  • a type of protection designates design principles in the field of explosion protection. The basic idea behind every type of protection is to minimize the risk of the simultaneous presence of an explosive atmosphere and ignition sources.
  • Reference sign device control element first housing wall connecting gap electromagnet connecting line control flux conducting piece pole shoe core adjusting device further flux conducting piece further pole shoe magnetically conductive connecting piece adjusting device counterweight cap bolt adjusting screw nozzle outlet opening chamber second housing cover detail window-shaped cutout section section step circular hole long hole guide pin

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Abstract

The invention relates to devices (100) for actuating a control element (110), which devices can be safely and reliably operated in an environment at risk of explosion or fire. For this purpose, a device (100) is proposed in which the control element (110) is actuated by means of a magnetic field of an electromagnet (130), which is located in a flameproof housing (120). The magnetic field of the electromagnet (130) is conducted out of the housing (120) by means of a flux-conducting piece, which extends through the housing (120) in such a way that flameproofing is ensured. In this way, the magnetic force which the electromagnet (130) applies to the control element (110) of the device (100) can be transmitted to the control element (110) nearly without loss. The proposed device (100) is suitable for use in solenoid valves, current-to-pressure converters, position controllers or control valves in process systems or power plants.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Betätigen eines Stellelements in einer explosions- oder brand gefährdeten Umgebung und darauf basierende IP-Wandler, Magnetventile, Stellungsregler, Device and method for actuating an actuating element in an explosive or fire-hazardous environment and IP converters, solenoid valves, positioners based thereon,
Stellventile und Anlagen control valves and systems
Beschreibung description
Gebiet der Erfindung field of invention
Die Erfindung betrifft elektromagnetische Antriebe, insbesondere Vorrichtungen und Ver fahren zum Betätigen eines Stellelements, die in einer explosions- bzw. brandgefährdeten Um- gebung sicher betrieben werden können, sowie darauf basierende IP-Wandler, Magnetventile, Stellungsregler, Stellventile und Anlagen. The invention relates to electromagnetic drives, in particular devices and methods for actuating a control element, which can be operated safely in an environment where there is a risk of explosion or fire, and IP converters, solenoid valves, position controllers, control valves and systems based thereon.
Elektromagnetische Antriebe setzen elektrische Signale in mechanische Bewegung um. Sie sind häufig aus einer Magnetspule bzw. einem Elektromagneten sowie einem beweglichen Anker bzw. Stellelement aufgebaut. Die in den Spulenkörper eingebrachte elektrische Leistung bestimmt die Stellung des Ankers bzw. Stellelements. Die Leistungsaufnahme elektromagneti scher Antriebe kann, zumindest kurzfristig, sehr hoch sein. Das gleiche gilt für die dabei auftre tenden Stromstärken und/oder Spannungen. Electromagnetic drives convert electrical signals into mechanical movement. They are often made up of a magnetic coil or an electromagnet and a movable armature or actuating element. The electrical power introduced into the coil body determines the position of the armature or actuating element. The power consumption of electromagnetic drives can be very high, at least in the short term. The same applies to the currents and/or voltages that occur.
Elektromagnetische Antriebe werden in Stellungsreglern von Stellventilen, Magnetventi len oder Strom-Druck-Wandlern (IP-Wandler) zur Steuerung pneumatischer oder hydraulischer Komponenten eingesetzt und sind damit in vielen Fällen Teil einer prozesstechnischen Anlage oder eines Kraftwerks. Sie können dabei einer Vielzahl von Betriebsbedingungen ausgesetzt sein. Dazu gehören Bedingungen, in der ein Funke, der z.B. von einem Kontakt eines elektro magnetischen Antriebs ausgeht, explosive Dämpfe entzünden kann. Unter derartigen Bedin gungen erfordert der Betrieb elektromagnetischer Antriebe spezielle Schutzmaßnahmen. Diese Maßnahmen können anhand ihrer Wirkung unterschieden werden: Electromagnetic drives are used in the positioners of control valves, solenoid valves or current-to-pressure converters (IP converters) to control pneumatic or hydraulic components and are therefore in many cases part of a process plant or a power plant. They can be exposed to a variety of operating conditions. These include conditions where a spark, e.g. from a contact on an electromagnetic drive, can ignite explosive vapors. Under such conditions, the operation of electromagnetic drives requires special protective measures. These measures can be distinguished based on their effect:
1. das Entstehen von Funken, Flammen bzw. Explosionen verhindern; oder 1. prevent sparks, flames or explosions; or
2. entstandene Funken, Flammen bzw. Explosionen eindämmen. 2. Contain any sparks, flames or explosions that may occur.
Zur ersten Gruppe gehören Schutzmaßnahmen, bei denen die verwendeten Stromstärken und Spannungen in einem elektromagnetischen Antrieb auf Werte begrenzt werden, bei denen ein Entstehen von Funken oder Hitze ausgeschlossen werden kann. Eine auf diese Weise her gestellte Eigensicherheit des Antriebs geht in vielen Fällen mit einem aufwendigeren Aufbau sowie teureren Schaltungskomponenten einher, um z.B. Störfälle durch Drahtbruch oder Kurz schlüsse zu verhindern oder abzufangen. Zudem stehen gewisse Spannungs- bzw. Strombe reiche nicht mehr zur Verfügung. Dies stellt eine Einschränkung bezüglich der auf den Anker oder das Stellelement des Antriebs übertragbaren Kräfte, der Dimensionierung der Magnete und/oder der Geschwindigkeit dar, mit der der Anker bzw. das Stellelement bewegt werden kann. Um als eigensicher zu gelten, müssen elektromagnetische Antriebe - neben den allge meinen Anforderungen an den Explosionsschutz, die in der DIN-Norm EN 60079-0 festgelegt sind - zudem die DIN-Norm EN 60079-11 erfüllen. The first group includes protective measures in which the current intensities used and voltages in an electromagnetic drive are limited to values at which the generation of sparks or heat can be ruled out. In many cases, the intrinsic safety of the drive created in this way is associated with a more complex structure and more expensive circuit components, for example in order to prevent or intercept faults caused by broken wires or short circuits. In addition, certain voltage or current ranges are no longer available. This represents a restriction with regard to the forces that can be transmitted to the armature or the actuating element of the drive, the dimensioning of the magnets and/or the speed at which the armature or the actuating element can be moved. In order to be considered intrinsically safe, electromagnetic drives must also meet the DIN standard EN 60079-11 - in addition to the general requirements for explosion protection specified in the DIN standard EN 60079-0.
Zur zweiten Gruppe von Maßnahmen gehören druckfeste Gehäuse bzw. Kapseln für die elektrischen Kontakte und Komponenten eines elektromagnetischen Antriebs. Die Gehäuse bzw. Kapseln sind dabei so ausgelegt, dass sie die Ausbreitung eines Funkens, einer Flamme oder einer Explosion aus dem Gehäuse heraus verhindern. Die Druckfestigkeit des Gehäuses bzw. der Kapsel kann dabei durch entsprechende Wandstärken sowie Mindestanforderungen an Verbindungsflächen bzw. Spalte in dem Gehäuse bzw. der Kapsel hergestellt werden. Für ein druckfestes Gehäuse bzw. eine druckfeste Kapsel sind sowohl die allgemeinen Anforderun gen der DIN-Norm EN 60079-0 als auch die speziellen Anforderungen der DIN-Norm EN 60079- 1 zu beachten. The second group of measures includes flameproof housings or capsules for the electrical contacts and components of an electromagnetic drive. The housing or capsules are designed in such a way that they prevent a spark, a flame or an explosion from spreading out of the housing. The pressure resistance of the housing or the capsule can be established by appropriate wall thicknesses and minimum requirements for connecting surfaces or gaps in the housing or the capsule. Both the general requirements of DIN standard EN 60079-0 and the special requirements of DIN standard EN 60079-1 must be observed for a flameproof housing or capsule.
Alternativ kann der Kontakt von zündfähigen Stoffgemischen bzw. Dämpfen mit den elektrischen Kontakten bzw. Komponenten durch den Einsatz von Schutzgas, wie z.B. Argon, sowie von flüssigen oder festen Isolierstoffen verhindert werden. Diese Maßnahmen sind meist teuer und aufwendig. Sie begründen zudem bestimmte Mindestanforderungen an den geomet rischen Aufbau sowie die Abmessungen des Gehäuses (vgl. z.B. die in der DIN-Norm 60079- 18 festgelegten Anforderungen an eine Vergusskapselung). Alternatively, the contact of ignitable mixtures of substances or vapors with the electrical contacts or components can be prevented by using inert gas, such as argon, as well as liquid or solid insulating materials. These measures are usually expensive and complex. They also justify certain minimum requirements for the geometric structure and the dimensions of the housing (cf. e.g. the requirements for encapsulation specified in DIN standard 60079-18).
Zudem stören die Schutzmaßnahmen oft die Übertragung magnetischer Kräfte auf den Anker bzw. das Stellelement. Die Abschwächung ist durch die größeren Abstände bedingt, die sich durch die benötigten Wandstärken, Schichtdicken oder andere geometrische Vorgaben er geben und zur Übertragung der magnetischen Kräfte überwunden werden müssen. Die für das Gehäuse und die Schutzmaßnahmen verwendeten Materialien können das Magnetfeld zusätz lich abschirmen oder zerstreuen. Zudem wird das Stellelement häufig in seiner Bewegungsfrei heit eingeschränkt. Dadurch kann das Stellelement weniger zuverlässig bzw. nur mit einer ver minderten Reaktionsfähigkeit bzw. verlängerten Schaltzeiten bedient werden. Oft sind zusätzli che mechanische Komponenten notwendig, um die Einschränkungen in der Bewegungsfreiheit des Stellelements auszugleichen. Dies erhöht den Aufwand für Produktion, Inbetriebnahme und Wartung, und beeinträchtigt zudem die Ausfallsicherheit der Antriebe bzw. der mit den Antrieben ausgestatteten Geräte. In addition, the protective measures often disrupt the transmission of magnetic forces to the armature or the actuating element. The weakening is due to the larger distances that result from the required wall thicknesses, layer thicknesses or other geometric specifications and have to be overcome in order to transmit the magnetic forces. The materials used for the housing and the protective measures can additionally shield or diffuse the magnetic field. In addition, the control element is often restricted in its freedom of movement. As a result, the actuating element can be operated less reliably or only with reduced responsiveness or longer switching times. Additional mechanical components are often necessary to compensate for the limitations in the freedom of movement of the control element. This increases the effort for production, commissioning and maintenance, and also affects the reliability of the drives or with the drives equipped devices.
Stand der Technik State of the art
Der Stand der Technik bietet verschiedene Möglichkeiten, elektromagnetische Antriebe explosionssicher auszugestalten. Dazu gehört der Einsatz vergossener Elektromagnete, wie sie z.B. aus der DE 29 26 549 A1 oder der DE 19843 519 A1 bekannt sind. Durch das Vergießen bzw. Umhüllen des Elektromagneten mit einem Isolierstoff, einschließlich der elektrischen Kon takte und der zugehörigen Schaltelemente, wird der Kontakt mit entzündlichen Dämpfen oder Gasen verhindert. Neben den Mehrkosten für den Isolierstoff, das Gehäuse, das den Isolierstoff umgibt, sowie das Vergießen des Elektromagneten erfordert diese Art der Absicherung zusätz liches Volumen sowohl für den Isolierstoff als auch für das Gehäuse. Der Einsatz derartiger Elektromagnete in einem Antrieb, wie er z.B. in der Patentschrift DE 10 2012 003 175 B4 be schrieben wird, erfordert daher in der Regel eine Anpassung des geometrischen Aufbaus des Antriebs, insbesondere der Baugröße, und/oder den Einsatz kleinerer und damit in der Regel auch weniger leistungsfähiger Elektromagnete. The prior art offers various options for designing explosion-proof electromagnetic drives. This includes the use of encapsulated electromagnets, such as those known from DE 29 26 549 A1 or DE 19843 519 A1. By casting or encasing the electromagnet with an insulating material, including the electrical con tacts and the associated switching elements, contact with flammable vapors or gases is prevented. In addition to the additional costs for the insulating material, the housing that surrounds the insulating material and the encapsulation of the electromagnet, this type of protection requires additional volume both for the insulating material and for the housing. The use of such electromagnets in a drive, as described in patent specification DE 10 2012 003 175 B4, for example, generally requires an adaptation of the geometric structure of the drive, in particular the size, and/or the use of smaller and therefore in usually also less powerful electromagnets.
Die Offenlegungsschrift EP 1 138 994 A2 sieht den Einsatz druckfester Gehäuse bzw. Kapseln vor, und zwar um einen elektromagnetischen Antrieb oder einen mit dem Antrieb ge steuerten Stellungsregler aufzunehmen. Dabei muss die mechanische Bewegung des Antriebs oder des Stellungsreglers aus dem Gehäuse geführt werden. Dies geht in der Regel jedoch nur mit Reibungsverlusten sowie Verschleiß einher und wirkt sich negativ auf die Genauigkeit und Geschwindigkeit aus, mit der das Stellelement bewegt werden kann. Darüber hinaus schränkt die mechanische Durchführung durch das Gehäuse die Bewegungsfreiheit des Stellelements ein. The published application EP 1 138 994 A2 provides for the use of pressure-resistant housings or capsules, specifically in order to accommodate an electromagnetic drive or a positioner controlled by the drive. The mechanical movement of the actuator or the positioner must be guided out of the housing. However, this is usually only associated with friction losses and wear and has a negative effect on the accuracy and speed with which the actuating element can be moved. In addition, the mechanical passage through the housing restricts the freedom of movement of the actuating element.
Neben Stellungsreglern werden elektromagnetische Antriebe auch in IP-Wandlern einge setzt, wie sie z.B. in der DE 198 18 336 C1 oder der DE 102018 123 166 B3 beschrieben sind. Hierbei wird die mechanische Bewegung des Stellelements zum kontrollierten Öffnen einer Aus lassöffnung einer Düse verwendet. Die Düse dient dabei zum Entlüften einer Kammer, die über eine Vordrossel mit Druckluft versorgt wird. Durch das kontrollierte Öffnen der Düse bzw. Ent lüften der Kammer kann der Druck in der Kammer gesteuert bzw. geregelt werden. Dieser Druck stellt den Arbeitsdruck des IP-Wandlers dar. Der Arbeitsdruck wird dabei durch den in den Spu lenkörper des elektromagnetischen Antriebs eingespeisten Strom bestimmt. Ein IP-Wandler ist somit ein Strom(l)-Druck(P)-Wandler und weist eine Strom-Druck-Kennlinie auf. In addition to positioners, electromagnetic drives are also used in IP converters, such as those described in DE 198 18 336 C1 or DE 102018 123 166 B3. In this case, the mechanical movement of the actuating element is used to open an outlet opening of a nozzle in a controlled manner. The nozzle is used to vent a chamber that is supplied with compressed air via a restrictor. The pressure in the chamber can be controlled or regulated by opening the nozzle or venting the chamber in a controlled manner. This pressure represents the working pressure of the IP converter. The working pressure is determined by the current fed into the coil body of the electromagnetic drive. An IP converter is therefore a current(I)-pressure(P) converter and has a current-pressure characteristic.
Die Offenlegungsschrift US 5,464,041 A beschreibt ein System mit mehreren Ventilen, wobei die Ventile elektromagnetisch durch eine einzige elektrische Wicklung geregelt werden, um ein gleichzeitiges Stellen für jedes der Ventile zu realisieren. Der permanent magnetisierte Teil des beteiligten Magnetkreises dient dabei zur Verriegelung beider Ventile in dem Betriebs zustand, in den sie betätigt worden sind. US Pat. No. 5,464,041 A describes a system with multiple valves, the valves being controlled electromagnetically by a single electrical winding in order to realize simultaneous actuation for each of the valves. The permanently magnetized Part of the magnetic circuit involved is used to lock both valves in the operating state in which they have been actuated.
Die Offenlegungsschrift US 5,450,871 A beschreibt eine elektromagnetisch betätigte Ven tilkonstruktion, bei der ein einzelner Magnetkreis eine magnetische Verbindung mehrerer Ven tilelemente herstellt, so dass eine einzelne elektrische Erregung, die mit dem einzelnen Mag netkreis gekoppelt ist, gleichzeitig mehrere Ventile steuern kann. US Pat. No. 5,450,871 A describes an electromagnetically actuated valve construction in which a single magnetic circuit magnetically connects multiple valve elements so that a single electrical excitation coupled to the single magnetic circuit can control multiple valves simultaneously.
Die Offenlegungsschrift US 5,139,226 beschreibt ein elektromagnetisches Fluidsteuer ventil mit einem Ventilkörper mit einem inneren Hohlraum und mindestens zwei Öffnungen, durch die ein Fluid selektiv geleitet werden kann. Die Querschnittsflächen des Kerns, in dem ein Magnetfluss erzeugt werden kann und des beweglichen Magnetankers, sind dabei so gewählt, dass die Flusslinien effizient begrenzt werden. Die resultierende hohe Flussdichte dient dazu, die auf den Anker ausgeübte Kraft zu maximieren und die Masse des Ankers zu minimieren, was wiederum die Geschwindigkeit des Ankers maximiert. The publication US 5,139,226 describes an electromagnetic fluid control valve with a valve body with an internal cavity and at least two openings through which a fluid can be selectively directed. The cross-sectional areas of the core, in which a magnetic flux can be generated, and of the movable magnet armature are selected in such a way that the flux lines are efficiently limited. The resulting high flux density serves to maximize the force exerted on the armature and minimize the mass of the armature, which in turn maximizes the speed of the armature.
Eine zünddurchschlagsichere Ausführung der drei zuletzt beschriebenen Ventilkonstruk tion könnte auch durch das Vergießen bzw. Umhüllen des Elektromagneten, einschließlich der elektrischen Kontakte und der zugehörigen Schaltelemente, mit einem Isolierstoff erreicht wer den. Die Offenlegungsschrift US 5,464,041 A nennt hierfür Epoxidharz als Beispiel. Neben den Mehrkosten für den Isolierstoff, sowie das Vergießen des Elektromagneten erfordert diese Art der Absicherung zusätzliches Volumen für den Isolierstoff. A flameproof version of the three valve designs just described could also be achieved by casting or encasing the electromagnet, including the electrical contacts and the associated switching elements, with an insulating material. The published specification US Pat. No. 5,464,041 A mentions epoxy resin as an example. In addition to the additional costs for the insulating material and the encapsulation of the electromagnet, this type of protection requires additional volume for the insulating material.
Aufgabe task
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stellelement mithilfe eines Elektromagneten in einer ex- plosions- oder brandgefährdeten Umgebung mit einfachen Mitteln sicher und zuverlässig zu betätigen. The object of the invention is to safely and reliably actuate an actuating element using simple means with the aid of an electromagnet in an environment at risk of explosion or fire.
Lösung solution
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the subject matter of the independent claims are characterized in the dependent claims. The wording of all claims is hereby made part of the content of this description by reference.
Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umge kehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist. lm Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müs sen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen. The use of the singular is not intended to exclude the plural, which also applies in reverse, unless otherwise disclosed. Individual method steps are described in more detail below. The steps do not necessarily have to be carried out in the order given, and the method to be described can also have further steps which are not mentioned.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Betätigen eines Stellelements in einer explosions- oder brandgefährdeten Umgebung vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist ein erstes Gehäuse mit einer Wand und einem Elektromagneten auf, wobei der Elektromagnet innerhalb des ersten Gehäuses angeordnet ist. An der Wand ist außerhalb des ersten Gehäuses, in dem sich der Elektromagnet befindet, ein zweites Gehäuse angeordnet. Das Stellelement ist an dem zweiten Gehäuse angeordnet. Zudem weist die Vorrichtung mindestens ein Flussleitstück auf, wobei mindestens eines der Flussleitstücke derart angeordnet ist, dass es durch ein Magnetfeld im Inneren des Elektromagneten magnetisiert werden kann. Das mindestens eine Fluss leitstück, das durch das Magnetfeld im Inneren des Elektromagneten magnetisiert werden kann, ist dabei durch die Wand des ersten Gehäuses und des zweiten Gehäuses geführt. Das erste Gehäuse und die Durchführung des Flussleitstücks durch die Wand des ersten Gehäuses sind zünddurchschlagsicher ausgestaltet. Der durch die Wand des ersten Gehäuses und das zweite Gehäuse geführte Teil des mindestens einen Flussleitstücks ist einstückig ausgeführt. Das Stel lelement ist außerhalb des ersten Gehäuses angeordnet und derart ausgeführt, dass es mittels des Magnetfelds betätigt werden kann, das mit Hilfe des mindestens einen Flussleitstücks aus dem ersten Gehäuse herausgeleitet wird. To solve the problem, a device for actuating an actuating element in an environment that is at risk of explosion or fire is proposed. The device includes a first housing having a wall and an electromagnet, with the electromagnet being disposed within the first housing. A second housing is arranged on the wall outside of the first housing in which the electromagnet is located. The actuating element is arranged on the second housing. In addition, the device has at least one flux-conducting piece, with at least one of the flux-conducting pieces being arranged in such a way that it can be magnetized by a magnetic field inside the electromagnet. The at least one flux conducting piece, which can be magnetized by the magnetic field inside the electromagnet, is guided through the wall of the first housing and the second housing. The first housing and the passage of the flux guide piece through the wall of the first housing are designed to be flameproof. The part of the at least one flux guide piece that is routed through the wall of the first housing and the second housing is designed in one piece. The actuating element is arranged outside of the first housing and is designed in such a way that it can be actuated by means of the magnetic field that is conducted out of the first housing with the aid of the at least one flux-conducting piece.
Durch diesen Aufbau befindet sich der Elektromagnet und ggf. vorhandene Kontaktstellen für die Energieversorgung des Elektromagneten in einem zünddurchschlagsicheren Raum und damit die Komponenten der Vorrichtung, die die höchste elektrische Leistung bzw. die höchsten Stromstärken aufnehmen und ggf. Funken bilden oder sich erhitzen können. Das Stellelement und ggf. weitere mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Komponenten befinden sich außerhalb des zünddurchschlagsicheren Raums (z.B. eine pneumatische oder fluidische Regel oder Schalteinheit, welche mittels des Stellelements bzw. des aus dem ersten Gehäuse geleiteten Magnetfeldes betätigt wird). Dies erleichtert nicht nur die Installation und Wartung dieser Komponenten, sondern ermöglicht es ebenfalls die Baugröße des ersten Gehäuses zu reduzieren. Zudem bestehen keine Beschränkungen bzgl. der für die Erzeugung des Magnet felds ersetzbaren Spannungen und/oder Stromstärken für eine eigensichere Ausführung. Due to this structure, the electromagnet and any existing contact points for the energy supply of the electromagnet are in an ignition-proof space and thus the components of the device that absorb the highest electrical power or the highest current intensities and may generate sparks or heat up. The control element and any other mechanical, pneumatic and/or hydraulic components are located outside the flameproof room (e.g. a pneumatic or fluid control or switching unit, which is actuated by means of the control element or the magnetic field conducted from the first housing). This not only simplifies the installation and maintenance of these components, but also makes it possible to reduce the size of the first housing. In addition, there are no restrictions with regard to the voltages and/or currents that can be used to generate the magnetic field for an intrinsically safe design.
Das mindestens eine Flussleitstück optimiert und/oder verstärkt die Kraft, die mithilfe des Elektromagneten durch das erste Gehäuse bzw. das zweite Gehäuse hindurch auf das Stellele ment ausgeübt werden kann. Störeinflüsse wie z.B. durch Reibung in der Führung des Stellele ments bzw. Schläge auf das Stellelement (z.B. durch Druckschwankungen in einer ggf. mit dem Stellelement gesteuerten Druckluftversorgung) können dadurch besser kompensiert werden. Darüber hinaus lässt sich das Stellelement präziser positionieren. Es kann zudem stärker be schleunigt und schneller von einer Position in eine andere bewegt werden. Das Stellelement kann somit zuverlässiger, schneller und mit einer höheren Genauigkeit betätigt werden, wobei die zünddurchschlagsichere Ausführung des ersten Gehäuses und der Durchführung des Fluss leitstücks einen sicheren Betrieb der Vorrichtung in der explosions- oder brandgefährdeten Um gebung gewährleistet. The at least one flux conducting piece optimizes and/or amplifies the force that can be exerted on the actuating element with the aid of the electromagnet through the first housing or the second housing. Disturbing influences such as, for example, due to friction in the guidance of the adjusting element or impacts on the adjusting element (for example due to pressure fluctuations in a compressed air supply that may be controlled by the adjusting element) can be better compensated for in this way. In addition, the actuating element can be positioned more precisely. It can also be accelerated and moved more quickly from one position to another. The actuating element can thus be actuated more reliably, more quickly and with greater accuracy, with the flameproof design of the first housing and the implementation of the flow guide piece ensuring safe operation of the device in the explosion or fire risk environment.
Das Stellelement kann sowohl aus einem magnetisierbaren oder magnetisch leitenden Material bestehen oder lediglich einen oder mehrere magnetisierbare Teile umfassen. Bevor zugterweise befinden sich der oder die magnetisierbaren Teile des Stellelements möglichst nahe an dem mindestens einen Flussleitstück, insbesondere dem Teil des Flussleitstücks, der aus dem ersten Gehäuse geführt ist und somit in dem Bereich außerhalb des ersten Gehäuses, der - zumindest in bevorzugten Ausführungsformen - am stärksten von dem Elektromagneten beeinflusst werden kann. The actuating element can consist of a magnetizable or magnetically conductive material or only comprise one or more magnetizable parts. The magnetizable part or parts of the actuating element are preferably located as close as possible to the at least one flux conducting piece, in particular the part of the flux conducting piece that is led out of the first housing and is therefore in the area outside of the first housing, which - at least in preferred embodiments - is can be most strongly influenced by the electromagnet.
Die Durchführung des mindestens einen Flussleitstücks kann so ausgeführt sein, dass das Flussleitstück plan mit der Wand des zweiten Gehäuses nach außen hin abschließt. Alter nativ kann das Flussleitstück über die Wand des zweiten Gehäuses hinausragen. In diesem Fall kann die Durchführung z.B. mithilfe von Bohrlöchern in der Wand des ersten Gehäuses und des zweiten Gehäuses erfolgen. Die Bohrlöcher in dem ersten Gehäuse sind dabei passgenau aus zuführen, so dass die Zünddurchschlagsicherheit der Wand bzw. des ersten Gehäuses beste hen bleibt. Das Flussleitstück oder ein Teil des Flussleitstücks kann auch mit einer Verstellein richtung bzw. einem Feingewinde ausgestattet sein, um den Abstand des Flussleitstücks zum Stellelement einstellen bzw. variieren zu können. The passage of the at least one flux guide piece can be designed in such a way that the flux guide piece ends flush with the wall of the second housing to the outside. Alternatively, the flux guide piece can protrude beyond the wall of the second housing. In this case, it can be carried out, for example, using drill holes in the wall of the first housing and the second housing. The boreholes in the first housing must be made with a precise fit so that the wall or the first housing remains unaffected by ignition. The flux guide or a part of the flux guide can also be equipped with an adjusting device or a fine thread in order to be able to set or vary the distance between the flux guide and the actuating element.
Das Flussleitstück kann auch lediglich soweit in die Wand des ersten Gehäuses und/oder in das zweite Gehäuse geführt sein, dass das von dem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld ohne nennenswerte Verluste aus dem ersten Gehäuse und/oder dem zweiten Gehäuse treten kann bzw. herausgeführt werden kann. Auf diese Weise können bei der Durchführung des min destens einen Flussleitstücks durchgängige Spalte vermieden werden, d.h. die Führung des Flussleitstücks in der Wand des ersten Gehäuses und/oder des zweiten Gehäuses ist nach außen hin abgeschlossen. The flux conducting piece can also only be guided into the wall of the first housing and/or into the second housing so far that the magnetic field generated by the electromagnet can exit or be led out of the first housing and/or the second housing without significant losses. In this way, continuous gaps can be avoided when the at least one flux guide piece is fed through, i.e. the guidance of the flux guide piece in the wall of the first housing and/or the second housing is closed to the outside.
Das mindestens eine Flussleitstück bzw. ein Teil davon kann den Kern des Elektromag neten bilden. Es kann ein gerader zylindrischer Stab sein. Es kann auch einen Polschuh auf weisen. Der Polschuh kann sowohl abgeflacht als auch abgerundet sein. Seine Form kann der art ausgestaltet werden, dass sie mit einer entsprechenden Form des Stellelements zusammen wirkt. Auf diese Weise kann die Übertragung der magnetischen Kraft des Elektromagneten auf das Stellelement verbessert werden. Der Teil des mindestens einen Flussleitstücks, der durch die Wand des ersten Gehäuses und das zweite Gehäuse geführt ist, ist einstückig ausgeführt, um in diesem Bereich eine Unterbrechung der magnetischen Leiter und damit einhergehende Verluste in der Übertragung der magnetischen Kraft des Elektromagneten auf das Stellelement zu vermeiden. The at least one flux guide piece or a part thereof can form the core of the electromagnet. It can be a straight cylindrical rod. It can also have a pole shoe. The pole piece can be either flattened or rounded. Its shape can be designed in such a way that it interacts with a corresponding shape of the actuating element. In this way, the transmission of the magnetic force of the electromagnet to the actuating element can be improved. The part of the at least one flux conducting piece that is routed through the wall of the first housing and the second housing is designed in one piece in order to avoid an interruption in the magnetic conductors and the associated To avoid losses in the transmission of the magnetic force of the electromagnet on the actuator.
Das Stellelement kann aus einem magnetisch leitenden Material bestehen. Das Stellele ment und das mindestens eine Flussleitstück kann so angeordnet werden, dass das Stellele ment zumindest in einer Stellung den magnetischen Kreis schließen kann, der von dem min destens einen Flussleitstück und dem Stellelement gebildet wird. Das Schließen des magneti schen Kreises kann vollständig sein, d.h. das Stellelement steht mit beiden Flussleitstücken gleichzeitig in Kontakt bzw. berührt sie. In oder nahe dieser Stellung kann in der Regel die größte Kraft auf das Stellelement ausgeübt werden. In vielen Fällen kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn das Stellelement den magnetischen Kreis nicht vollständig schließt, sondern ein Spalt zwischen dem Stellelement und zumindest einem der Flussleitstücke bestehen bleibt, und zwar in jeder vorgesehenen Stellung des Stellelements. Damit können nichtlineare Effekte, die oft mit einem vollständigen Schließen des magnetischen Kreises einhergehen, vermieden werden. Die Steuerung des Stellelements kann damit in jeder Stellung mit der gleichen oder zumindest einer ähnlichen oder vergleichbaren Genauigkeit erfolgen. Dadurch steht der gesamte Hubbereich für ein präzises Betätigen des Stellelements zur Verfügung. The actuating element can consist of a magnetically conductive material. The adjusting element and the at least one flux conducting piece can be arranged in such a way that the adjusting element can close the magnetic circuit, which is formed by the at least one flux conducting piece and the adjusting element, at least in one position. The closing of the magnetic circuit can be complete, i.e. the control element is in contact with both flux guide pieces at the same time or touches them. The greatest force can usually be exerted on the actuating element in or near this position. In many cases, however, it can be advantageous if the control element does not completely close the magnetic circuit, but instead a gap remains between the control element and at least one of the flux conducting pieces, specifically in every intended position of the control element. In this way, non-linear effects, which are often associated with a complete closure of the magnetic circuit, can be avoided. The control of the actuating element can thus take place in every position with the same or at least a similar or comparable accuracy. As a result, the entire stroke range is available for precise actuation of the control element.
Das erste Gehäuse mit dem durchgeführten Flussleitstück bildet einen zünddurchschlag- sicheren Raum. Es kann druckfest ausgeführt sein bzw. der DIN-Norm 60079-1 genügen. Wei tere Maßnahmen zur Sicherung der Vorrichtung können somit häufig entfallen. Das betrifft ins besondere Maßnahmen, die ein Eindringen von explosiven Dämpfen und/oder entzündlichen Stoffgemischen in das erste Gehäuse verhindern. Schließlich ist durch die druckfeste Ausfüh rung nicht nur sichergestellt, dass sich ein im Innern des ersten Gehäuses entstehender Funke nicht über das erste Gehäuse und die Durchführung des Flussleitstücks hinaus ausbreitet, son dern auch eine im Innern des ersten Gehäuses entstehende Flamme oder Explosion gefangen bleibt. Die zu wählende Wandstärke des ersten Gehäuses bzw. der Wand des ersten Gehäuses hängt dabei vom verwendeten Material, dem von dem ersten Gehäuse eingeschlossenen Volu men sowie der Art der entzündlichen bzw. explosiven Stoffe ab. Typische Wandstärken liegen in einem Bereich von 9 bis 12 mm (vgl. die DIN-Norm EN 60079-1). The first housing with the flux conducting piece running through it forms a flameproof room. It can be designed to be pressure-resistant or meet DIN standard 60079-1. Wei direct measures to secure the device can thus often be omitted. This applies in particular to measures that prevent explosive vapors and/or flammable mixtures of substances from penetrating into the first housing. Finally, the flameproof design not only ensures that a spark occurring inside the first housing does not spread beyond the first housing and the passage of the flux conducting piece, but also that a flame or explosion occurring inside the first housing remains trapped. The wall thickness to be selected for the first housing or the wall of the first housing depends on the material used, the volume enclosed by the first housing and the type of flammable or explosive substances. Typical wall thicknesses range from 9 to 12 mm (see DIN standard EN 60079-1).
Das erste Gehäuse und/oder die Wand des ersten Gehäuses und/oder das zweite Ge häuse können aus einem magnetisch nicht leitenden Material gefertigt sein, insbesondere aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Material, wie z.B. Aluminium, Messing, Kupfer, einem magnetisch nicht leitenden, bspw. austenitischen Edelstahl oder einem magnetisch nicht leitenden Kunststoff wie z.B. Polyethylen oder Acrylglas. Auf diese Weise kann verhindert wer den, dass das Magnetfeld des Elektromagneten, insbesondere der Teil, der durch das Fluss leitstück aus dem ersten Gehäuse bzw. dem zweiten Gehäuse geführt werden soll, durch das erste Gehäuse und/oder die Wand des ersten Gehäuses und/oder das zweite Gehäuse abge lenkt, geschwächt oder abgeschirmt wird. The first housing and/or the wall of the first housing and/or the second housing can be made of a magnetically non-conductive material, in particular a paramagnetic or diamagnetic material such as aluminum, brass, copper, a magnetically non-conductive material, e.g Austenitic stainless steel or a magnetically non-conductive plastic such as polyethylene or acrylic glass. In this way, it is possible to prevent the magnetic field of the electromagnet, in particular the part that is to be guided through the flux conducting piece from the first housing or the second housing, through the first housing and/or the wall of the first housing and/or the second housing is deflected, weakened or shielded.
Das mindestens eine durch das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse geführte Fluss leitstück kann gegen ein Verrutschen aus dem ersten Gehäuse und/oder dem zweiten Gehäuse heraus gesichert sein. Dies kann durch eine Verankerung des Flussleitstücks erreicht werden. Das Flussleitstück kann zu diesem Zweck auch einen konisch geformten Bereich aufweisen, mit einer entsprechend geformten Aussparung in der Wand des ersten Gehäuses oder des zweiten Gehäuses. Es kann alternativ eine Auskragung oder Stufe aufweisen, die in die Wand des ersten Gehäuses oder des zweiten Gehäuses eingreift, wenn auf das Flussleitstück eine Kraft wirkt, die es aus dem ersten Gehäuse bzw. dem zweiten Gehäuse drücken würde. Ebenso können schraubenförmige Ausgestaltungen des Flussleitstücks (mit entsprechenden Gegenge winden in der Wand des ersten Gehäuses bzw. des zweiten Gehäuses) oder Widerlager vorge sehen sein. The at least one flow guide piece guided through the first housing and the second housing can be secured against slipping out of the first housing and/or the second housing. This can be achieved by anchoring the flux guide. For this purpose, the flux guide piece can also have a conically shaped area with a correspondingly shaped recess in the wall of the first housing or the second housing. It may alternatively have a projection or step which engages the wall of the first housing or the second housing when a force acts on the flux guide which would push it out of the first housing or the second housing respectively. Likewise, helical configurations of the flux guide (with corresponding counter-windings in the wall of the first housing or of the second housing) or abutments can be provided.
Das Stellelement kann kipp- bzw. drehbar gelagert sein und/oder mithilfe von Federn in einer Position über dem mindestens einen durch das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse geführten Flussleitstück gehalten werden. Das Flussleitstück kann allerdings auch so ausge führt sein, dass es aus dem zweiten Gehäuse herausragt und zur Lagerung des Stellelements dient. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Stellelement den magnetischen Kreis in zumindest einer Stellung entweder vollständig oder bis auf einen (Rest-)Spalt schließt. Die Lagerung kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Für ein kippbar gelagertes Stellelement, das auf dem Flussleitstück aufliegt, genügt es typischerweise, wenn das Flussleitstück 0,5 bis 1 mm aus dem zweiten Gehäuse herausragt, um eine Bewegung eines typischen Stellelements von 1 bis 2° bzw. einen Hub von ca. 50 bis 60 pm zu ermöglichen. The actuating element can be mounted such that it can tilt or rotate and/or can be held in a position above the at least one flux guide piece guided through the first housing and the second housing with the aid of springs. However, the flux guide piece can also be designed in such a way that it protrudes from the second housing and is used to mount the actuating element. In this way it can be ensured that the actuating element closes the magnetic circuit in at least one position either completely or except for a (residual) gap. The storage can be configured differently. For a tiltable control element that rests on the flux guide, it is typically sufficient if the flux guide projects 0.5 to 1 mm out of the second housing, in order to achieve a movement of a typical control element of 1 to 2° or a stroke of approx. 50 to allow until 60 pm.
Die Vorrichtung bzw. das Flussleitstück können zusätzlich mit Mitteln ausgestattet sein (wie z.B. einem (Fein-)Gewinde zur axialen Verstellung), mit denen eingestellt werden kann, wie weit das Flussleitstück aus der Wand des ersten Gehäuses bzw. des zweiten Gehäuses herausragt. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen dem Stellelement und dem Fluss leitstück optimal eingestellt bzw. nachjustiert werden. The device or the flux guide can also be equipped with means (e.g. a (fine) thread for axial adjustment) with which it is possible to set how far the flux guide protrudes from the wall of the first housing or the second housing. In this way, the distance between the actuating element and the flow guide piece can be optimally set or readjusted.
Das Stellelement kann einen fensterförmigen Ausschnitt aufweisen, der so gestaltet ist, dass er an nur zwei Punkten auf dem Flussleitstück aufliegt, der zur Lagerung des Stellelements dient. Weist das Flussleitstück am oberen Ende einen kreisförmigen Querschnitt der Auflage fläche auf, kann dies z.B. durch eine rechteckige oder stadionförmige Form des Ausschnitts erreicht werden, und umgekehrt. Auf diese Weise können komplexe und/oder kostenintensive Bauteile zur gelenkigen Lagerung des Stellelements vermieden werden. Die Vorrichtung kann zur Fixierung des Stellelements an den beiden zuvor genannten Auflagepunkten an dem Flussleitstück Führungsstifte aufweisen. Das Stellelement kann zu die sem Zweck zu den Führungsstiften korrespondierende Einschnitte oder Öffnungen aufweisen, z.B. ein Kreisloch und ein Langloch zur Führung zylindrischer Führungsstifte. Die Fixierung kann durch Muttern erfolgen, die auf die Führungsstifte geschraubt werden, oder weitere Elemente umfassen, wie z.B. eine Kappe. Ebenso kann das Stellelement durch eine Feder fixiert werden, die das Stellelement niedergedrückt. Vorteilhafte Weiterbildungen weisen zudem ein Gegenge wicht zur Austarierung des auf dem Flussleitstück gelagerten Stellelements auf. The actuating element can have a window-shaped cutout which is designed in such a way that it only rests at two points on the flux guide piece, which is used to mount the actuating element. If the flux guide piece has a circular cross-section of the support surface at the upper end, this can be achieved, for example, by a rectangular or stadium-shaped cutout, and vice versa. In this way, complex and/or expensive components for the articulated mounting of the actuating element can be avoided. The device can have guide pins for fixing the actuating element at the two previously mentioned support points on the flux guide piece. For this purpose, the actuating element can have incisions or openings corresponding to the guide pins, for example a circular hole and a slot for guiding cylindrical guide pins. The fixation can be done by nuts that are screwed onto the guide pins, or include other elements such as a cap. Likewise, the actuating element can be fixed by a spring which depresses the actuating element. Advantageous developments also have a counterweight for balancing the actuating element mounted on the flux guide piece.
Im ersten Gehäuse der vorgeschlagenen Vorrichtung befinden sich alle elektrischen Kom ponenten, Schalt- und Steuerelemente sowie Kontakte, die mit den entzündlichen Stoffgemi schen der explosions- oder brandgefährdeten Umgebung in Kontakt treten können. Dement sprechend müssen diese Komponenten, Elemente und Kontakte nicht eigensicher (z.B. im Sinne der Norm 60079-11) ausgeführt werden. Davon können Zuleitungen für Steuersignale oder die Versorgung mit elektrischer Energie ausgenommen werden. Sie können meist mit ge ringem Aufwand eigensicher bzw. explosionssicher gestaltet und zünddurchschlagsicher durch das erste Gehäuse geführt werden. In the first housing of the proposed device are all the electrical com ponents, switches and controls and contacts that rule with the flammable mixtures of explosive or explosive environment can come into contact. Accordingly, these components, elements and contacts do not have to be designed to be intrinsically safe (e.g. in the sense of standard 60079-11). This does not apply to feed lines for control signals or the supply of electrical energy. They can usually be made intrinsically safe or explosion-proof with little effort and routed through the first housing in a flameproof manner.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung eine Steuerung für den Elekt romagneten, die sich ebenfalls im ersten Gehäuse befindet. Für eine autarke Energieversor gung der Vorrichtung kann zusätzlich eine Batterie im ersten Gehäuse vorgesehen sein, so dass die Vorrichtung auch bei einem Störfall zuverlässig betrieben werden kann. Ist die Steuerung so ausgestaltet, dass sie drahtlos angesprochen werden kann (z.B. über eine WLAN-, Funk- und/oder Bluetooth-Schnittstelle), kann in vielen Fällen auf eine Durchführung von Zuleitungen durch das erste Gehäuse verzichtet werden. Dies gilt auch für eine drahtlose Energieversorgung der Steuereinheit und/oder der Batterie, z.B. über eine Schnittstelle, die induktiv an externe Energieversorgungseinheiten gekoppelt werden kann. In preferred embodiments, the device includes a controller for the Elek romagneten, which is also located in the first housing. For a self-sufficient energy supply of the device, a battery can also be provided in the first housing, so that the device can be operated reliably even in the event of a malfunction. If the controller is designed in such a way that it can be addressed wirelessly (e.g. via a WLAN, radio and/or Bluetooth interface), it is possible in many cases to dispense with feeding lines through the first housing. This also applies to a wireless power supply for the control unit and/or the battery, e.g. via an interface that can be inductively coupled to external power supply units.
Außerhalb des ersten Gehäuses befindet sich das Stellelement und ggf. weitere mecha nische Elemente der Vorrichtung. In weiteren Ausbaustufen kann die Vorrichtung eine Auslass öffnung für ein Fluid aufweisen, wobei das Stellelement so ausgeführt und angeordnet ist, dass durch das Betätigen des Stellelements der Durchfluss eines Fluids durch die Auslassöffnung gesteuert oder geregelt werden kann. Das Stellelement kann dabei im Bereich der Auslassöff nung eine Prallplatte sein, die zum Verschließen mit Hilfe des Elektromagneten auf die Auslass öffnung gedrückt werden kann. Zum Öffnen kann die Prallplatte angehoben werden. Neben einem Öffnen und Schließen kann auf diese Weise auch der Durchfluss des Fluids durch die Auslassöffnung reguliert werden, und zwar mithilfe der in den Spulenkörper der Vorrichtung eingebrachten elektrischen Leistung. Outside of the first housing is the control element and possibly other mechanical elements of the device niche. In further expansion stages, the device can have an outlet opening for a fluid, the actuating element being designed and arranged such that the flow of a fluid through the outlet opening can be controlled or regulated by actuating the actuating element. The actuating element can be a baffle plate in the region of the outlet opening, which can be pressed onto the outlet opening to close it with the aid of the electromagnet. The baffle plate can be lifted to open. In addition to opening and closing, the flow of fluid through the outlet opening can also be regulated in this way, with the help of the coil body of the device introduced electrical power.
Die Auslassöffnung kann die Auslassöffnung einer Düse sein. Die Düse kann mit einem Feingewinde zum Einstellen und Nachjustieren des Abstands zwischen der Düse und dem Stel lelement der Vorrichtung, insbesondere der Prallplatte, ausgestattet sein. Damit kann u.a. die Dichtheit bei geschlossener Prallplatte eingestellt werden. The outlet opening can be the outlet opening of a nozzle. The nozzle can be equipped with a fine thread for setting and readjusting the distance between the nozzle and the actuating element of the device, in particular the baffle plate. Among other things, this allows the tightness to be adjusted when the baffle plate is closed.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann ein weiteres Flussleitstück umfassen. Das weitere Flussleitstück ist durch die Wand des ersten Gehäuses und das zweite Gehäuse geführt, wobei der durch die Wand des ersten Gehäuses und das zweite Gehäuse geführte Teil des weiteren Flussleitstücks einstückig ausgeführt und die Durchführung des weiteren Flussleitstücks durch die Wand des ersten Gehäuses zünddurchschlagsicher ausgestaltet sind. Das weitere Fluss leitstück ist darüber hinaus in dem ersten Gehäuse mit dem mindestens einen Flussleitstück verbunden, das durch das Magnetfeld im Inneren des Elektromagneten magnetisiert werden kann. Auf diese Weise kann zusammen mit dem Stellelement ein magnetischer Kreis aufgebaut werden, der weniger Unterbrechungen, insbesondere weniger parasitäre Luftspalte, aufweist bzw. bei dem die Anzahl der Unterbrechungen des Kreises reduziert ist. The proposed device can include a further flow guide. The further flux conducting piece is guided through the wall of the first housing and the second housing, with the part of the further flux conducting piece that is guided through the wall of the first housing and the second housing being made in one piece and the passage of the further flux conducting piece through the wall of the first housing being designed to be flameproof . The further flux conducting piece is also connected in the first housing to the at least one flux conducting piece, which can be magnetized by the magnetic field inside the electromagnet. In this way, together with the actuating element, a magnetic circuit can be constructed which has fewer interruptions, in particular fewer parasitic air gaps, or in which the number of interruptions in the circuit is reduced.
Zu demselben Zweck kann im ersten Gehäuse nur ein einziges, einstückiges Fluss leitstück angeordnet sein. Dieses ist typischerweise U-förmig ausgestaltet und mit den beiden freien Enden des U jeweils, also zweimal, durch die Wand des ersten Gehäuses und das zweite Gehäuse geführt. Dabei sind die durch die Wand des ersten Gehäuses und das zweite Gehäuse geführten Teile des mindestens einen Flussleitstücks einstückig ausgeführt und die beiden Durchführungen des Flussleitstücks durch die Wand des ersten Gehäuses zünddurchschlagsi cher ausgestaltet. Durch die einstückige Ausführung sind noch weniger parasitäre und damit potentiell störende Luftspalte vorhanden. For the same purpose, only a single, one-piece flow guide piece can be arranged in the first housing. This is typically U-shaped and is guided with the two free ends of the U, ie twice, through the wall of the first housing and the second housing. In this case, the parts of the at least one flux conducting piece that are routed through the wall of the first housing and the second housing are designed in one piece and the two passages of the flux conducting piece through the wall of the first housing are designed to be flammable. Due to the one-piece design, there are even fewer parasitic and thus potentially disruptive air gaps.
Die Vorrichtung kann Teil eines Magnetventils, z.B. eines 2/2 Wegeventils, eines IP- Wandlers, eines Stellungsreglers, eines Stellventils oder einer Anlage sein. Sie kann sowohl als ein integraler als auch modularer Bestandteil ausgeführt sein. Das erste Gehäuse bzw. das zweite Gehäuse kann dabei weitere Kontakte und Steuerelemente des Magnetventils, IP- Wandlers, Stellungsreglers, Stellventils oder der Anlage aufnehmen und zünddurchschlagsicher umschließen. Somit können zusätzliche bzw. weitere Maßnahmen zum Schutz der weiteren Kontakte und Steuerelemente entfallen. The device can be part of a solenoid valve, e.g. a 2/2-way valve, an IP converter, a positioner, a control valve or a system. It can be designed both as an integral and as a modular component. The first housing or the second housing can accommodate further contacts and control elements of the solenoid valve, IP converter, position controller, control valve or the system and enclose them in a flameproof manner. Additional or further measures to protect the further contacts and control elements can thus be dispensed with.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betätigen eines Stellelements in einer explosions- oder brandgefährdeten Umgebung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: 1. eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betätigen eines Stellelements in einer explo- sions- oder brandgefährdeten Umgebung wird bereitgestellt; The object is also achieved by a method for actuating an actuating element in an environment where there is a risk of explosion or fire, the method comprising the following steps: 1. A device according to the invention for actuating an actuating element in an environment at risk of explosion or fire is provided;
2. eine Stellgröße wird vorgegeben; 2. a manipulated variable is specified;
3. die in den Elektromagneten eingespeiste elektrische Leistung wird so eingestellt, dass sich das Stellelement in eine der vorgegebenen Stellgröße entsprechende Position bewegt. 3. The electrical power fed into the electromagnet is adjusted in such a way that the actuating element moves into a position corresponding to the specified manipulated variable.
Die vorgegebene Stellgröße kann eine Auf-/Zu-Stellung sein, d.h. z.B. dass das Stellele ment im Anwendungsfall lediglich zwischen zwei Positionen hin und her bewegt wird, z.B. zum Öffnen oder Schließen einer Auslassöffnung. Die Stellgröße kann auch eine Stellung des Stel lelements zwischen einer Offen- und einer Schließstellung sein, z.B. zur Regulierung des Durch flusses durch eine Auslassöffnung. Die vorgegebene Stellung kann dabei durch eine Hub-, Wipp- und/oder Drehbewegung des Stellelements erreicht werden. Die Stellgröße kann - je nach Anwendungsfall - auch eine Position eines Ventilglieds, ein Druck, eine Temperatur und/oder eine Durchflussmenge sein. The specified control variable can be an open/close position, i.e. the control element is only moved back and forth between two positions in the application, e.g. to open or close an outlet opening. The manipulated variable can also be a position of the control element between an open and a closed position, e.g. to regulate the flow through an outlet opening. The predetermined position can be reached by a lifting, rocking and/or rotating movement of the actuating element. Depending on the application, the manipulated variable can also be a position of a valve member, a pressure, a temperature and/or a flow rate.
In der Regel besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der elektrischen Leistung, die in den Elektromagneten eingespeist wird, und der Stellgröße bzw. der Stellung, die das Stellelement bei dieser Leistung einnimmt, zumindest nach einer Einschwingphase und/oder solange das Stellelement keinen anderen Kräften und/oder Störungen ausgesetzt ist, die das Stellelement aus seiner Gleichgewichtslage drängen. Der Zusammenhang kann z.B. bei der Installation bzw. Initialisierung der Vorrichtung ausgemessen und für die Zwecke des Verfah rens gespeichert werden, z.B. in einer Steuereinheit der Vorrichtung. Er kann auch voreingestellt werden und/oder das Ergebnis von Simulationen und/oder einer automatisierten Kalibrierung sein. Letztere kann bei der Installation und/oder Wartung ausgeführt werden, und/oder in regel mäßigen Abständen, um Verschleiß und veränderten Umweltbedingungen Rechnung zu tragen, die den Zusammenhang ggf. beeinflussen. As a rule, there is a clear connection between the electrical power that is fed into the electromagnet and the manipulated variable or the position that the actuating element assumes with this power, at least after a transient phase and/or as long as the actuating element is not subjected to any other forces and/or or is exposed to disturbances that force the actuator out of its equilibrium position. The relationship can be measured, for example, during the installation or initialization of the device and stored for the purposes of the method, for example in a control unit of the device. It can also be preset and/or the result of simulations and/or an automated calibration. The latter can be performed at installation and/or maintenance, and/or periodically to account for wear and changing environmental conditions that may affect the context.
Je nach Anwendungsfall kann der Elektromagnet einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Gleichstrom betrieben werden. Der Betrieb mit Gleichstrom führt in vielen Fällen zu nicht linearen Kraft-Weg- bzw. Kraft-Hub-Kennlinien. Dies kann genutzt werden, um die Präzision, mit der das Stellelement positioniert werden kann, an den Anwendungsfall anzupassen, z.B. um das Stellelement nahe einer Schließposition mit einer größeren Präzision steuern bzw. regeln zu können als in anderen Positionen, in denen eine genaue Positionierung des Stellelements weniger kritisch ist. Ein Wechsel der Betriebsarten, z.B. von einem Betrieb mit Gleichstrom hin zu einem Betrieb mit Wechselstrom, ist ebenfalls denkbar. Dadurch können die verschiedenen Kraft-Weg-Kennlinien, die sich aus den beiden Betriebsarten ergeben, nach Bedarf kombiniert werden. Depending on the application, the electromagnet of a device according to the invention can be operated with direct current. In many cases, operation with direct current leads to non-linear force-displacement or force-stroke characteristics. This can be used to adapt the precision with which the actuating element can be positioned to the application, e.g. to be able to control or regulate the actuating element close to a closed position with greater precision than in other positions in which precise positioning of the Control element is less critical. Changing the operating mode, e.g. from operation with direct current to operation with alternating current, is also conceivable. As a result, the various force-displacement characteristics resulting from the two operating modes can be combined as required.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betätigen eines Stellelements einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung kann zur Steuerung bzw. Regelung eines IP-Wandlers, eines Magnetven tils, eines Stellungsreglers, eines Stellventils und/oder einer Anlage genutzt werden. Durch die zünddurchschlagsichere Ausführung der Vorrichtung kann die Steuerung bzw. Regelung in ex- plosions- oder brandgefährdeten Umgebungen erfolgen. A method according to the invention for actuating an actuating element of an inventive This device can be used to control or regulate an IP converter, a solenoid valve, a positioner, a control valve and/or a system. Due to the flameproof design of the device, the control or regulation can take place in areas where there is a risk of explosion or fire.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf das Ausführungsbeispiel be schränkt. Further details and features result from the following description of a preferred exemplary embodiment in conjunction with the figures. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The ways to solve the problem are not limited to the embodiment.
Das Ausführungsbeispiel ist in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugszif fern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt: The embodiment is shown schematically in the figures. The same reference numerals in the individual figures designate elements that are the same or have the same function, or elements that correspond to one another in terms of their functions. In detail shows:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betätigen eines Stellelements; 1 shows a device according to the invention for actuating an actuating element;
Fig. 2 einen Deckel der Vorrichtung aus Fig. 1 ; FIG. 2 shows a cover of the device from FIG. 1; FIG.
Fig. 3 ein Detail der Vorrichtung aus Fig. 1 ; FIG. 3 shows a detail of the device from FIG. 1; FIG.
Fig. 4 eine weitere Ansicht des Details der Vorrichtung aus Fig. 1 ; FIG. 4 shows a further view of the detail of the device from FIG. 1 ;
Fig. 5 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Betätigen eines Stellelements; FIG. 5 shows a flow chart of a method for actuating an actuating element; FIG.
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betä tigen eines Stellelements; 6 shows a further embodiment of a device according to the invention for actuating an actuating element;
Fig. 7 ein Detail einer alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zum Betätigen eines Stellelements; und 7 shows a detail of an alternative embodiment of a device according to the invention for actuating an actuating element; and
Fig. 8 ein Detail einer weiteren alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen8 shows a detail of a further alternative embodiment of one according to the invention
Vorrichtung zum Betätigen eines Stellelements. Device for operating an actuator.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Betätigen eines Stellelements 110 in einem IP-Wandler. Die Vorrichtung 100 umfasst ein erstes Gehäuse 120 mit einer Wand 125. Die Wand 125 bildet einen Deckel des ersten Gehäuses 120, der zur Installation bzw. Wartung der Vorrichtung 100 abgenommen werden kann. Dementsprechend liegen zwischen der Wand 125 und dem restlichen Teil des ersten Gehäuses 120 Verbindungsspalte 127. Das erste Gehäuse 120, die Wand 125 sowie die Verbindungsspalte 127 sind zünddurchschlagsi- cher ausgeführt. 1 shows a device 100 according to the invention for actuating an actuating element 110 in an IP converter. The device 100 comprises a first housing 120 with a wall 125. The wall 125 forms a cover of the first housing 120 which can be removed for installation or maintenance of the device 100. FIG. Accordingly, there are connecting gaps 127 between the wall 125 and the remaining part of the first housing 120. The first housing 120, the wall 125 and the connecting gaps 127 are designed to be flameproof.
Im Innern des ersten Gehäuses 120 befindet sich ein Elektromagnet 130. Der Elektro magnet 130 ist über eine Verbindungsleitung 140 mit einer Steuerung 150 verbunden. Die Steu erung 150 versorgt den Elektromagneten 130 über die Verbindungsleitung 140 mit elektrischer Energie. Über die auf diese Weise in den Elektromagneten 130 eingebrachte elektrische Leis tung kann die Steuereinheit 150 den Elektromagneten 130, insbesondere die Stärke des von dem Elektromagneten 130 erzeugten Magnetfelds, steuern. Die dafür notwendige elektrische Energie wird über eine Versorgungsleitung (nicht dargestellt) bereitgestellt. Die Versorgungslei tung ist zünddurchschlagsicher durch das erste Gehäuse 120 geführt. Auf ähnliche Weise wer den über eine Datenleitung (nicht dargestellt), die ebenfalls zünddurchschlagsicher durch das erste Gehäuse 120 geführt ist, Befehle bzw. Sensordaten an die Steuereinheit 150 übertragen. Inside the first housing 120 is an electromagnet 130. The electromagnet 130 is connected via a connecting line 140 to a controller 150. The control 150 supplies the electromagnet 130 via the connecting line 140 with electrical Energy. The control unit 150 can control the electromagnet 130, in particular the strength of the magnetic field generated by the electromagnet 130, via the electrical power introduced into the electromagnet 130 in this way. The electrical energy required for this is provided via a supply line (not shown). The supply line is routed through the first housing 120 in a flameproof manner. In a similar way, commands or sensor data are transmitted to the control unit 150 via a data line (not shown), which is also passed through the first housing 120 in a flameproof manner.
Der Elektromagnet 130 weist einen Kern 162 auf, der von einem Flussleitstück 160 gebil detwird. Das Flussleitstück 160 weist einen Polschuh 161 auf. Der Polschuh 161 ist zünddurch schlagsicher durch die Wand 125 geführt. Die Vorrichtung 100 weist ein weiteres Flussleitstück 165 mit einem weiteren Polschuh 166 und ein magnetisch leitendes Verbindungsstück 167 auf. Das weitere Flussleitstück 165 ist parallel zu dem Flussleitstück 160 neben dem Elektromagne ten 130 angeordnet. Sein Polschuh 166 ist ebenfalls zünddurchschlagsicher durch die Wand 125 geführt. Das magnetisch leitende Verbindungsstück 167 ist entweder auf die Flussleitstücke 160 und 165 leicht aufgepresst (wie gezeigt) oder mithilfe von Verriegelungsvorrichtungen mit den Flussleitstücken 160 und 165 verbunden. Zudem weisen die Flussleitstücke 160 und 165 Verstelleinrichtungen 163 und 168 auf. Mit den Verstelleinrichtungen 163 und 168 kann einge stellt werden, wie weit der Polschuh 161 des Flussleitstücks 160 und/oder der Polschuh 166 des Flussleitstücks 165 aus dem ersten Gehäuse 120 bzw. der Wand 125 herausragen. The electromagnet 130 has a core 162 which is formed by a flux guide piece 160 . The flux conducting piece 160 has a pole shoe 161 . The pole shoe 161 is guided through the wall 125 in an impact-proof manner. The device 100 has a further flux-conducting piece 165 with a further pole shoe 166 and a magnetically conductive connecting piece 167 . The further flux conducting piece 165 is arranged parallel to the flux conducting piece 160 next to the electromagnet 130 . Its pole shoe 166 is also guided through the wall 125 in a flameproof manner. The magnetically conductive connector 167 is either lightly pressed onto the flux guides 160 and 165 (as shown) or connected to the flux guides 160 and 165 by means of locking devices. In addition, the flux guide pieces 160 and 165 have adjusting devices 163 and 168 . The adjusting devices 163 and 168 can be used to set how far the pole shoe 161 of the flux-conducting piece 160 and/or the pole shoe 166 of the flux-conducting piece 165 protrude from the first housing 120 or the wall 125.
Das Stellelement 110 ist wippenartig auf dem Polschuh 161 gelagert. Es liegt nicht mittig auf dem Polschuh 161 auf, sondern an einer Stelle, die nahe an einem Ende des Stellelements 110 liegt. Zum Austarierung dieser asymmetrischen Lage dient ein Gegengewicht 170. Die La gerung erfolgt mithilfe einer Feder wobei die Feder mittels eines Bolzens 182 an einer Kappe 180 fixiert ist. Dabei drückt die Feder das Gegengewicht 170 gegen das Stellelement 110 und das Stellelement 110 gegen die Stelle, an dem das Stellelement 110 auf dem Polschuh 161 aufliegt. Die Kappe 180 mit dem Bolzen 182 weist zudem eine Stellschraube 185 auf. Die Stell schraube 185 begrenzt die Bewegungsfreiheit des Stellelements 110, wobei der Bewegungs spielraum mithilfe der Stellschraube 185 nach Bedarf variiert werden kann. The actuating element 110 is mounted on the pole shoe 161 like a rocker. It does not lie centrally on the pole shoe 161 but at a point that is close to one end of the actuating element 110 . A counterweight 170 is used to balance this asymmetrical position. The bearing is carried out with the aid of a spring, the spring being fixed to a cap 180 by means of a bolt 182 . The spring presses the counterweight 170 against the actuating element 110 and the actuating element 110 against the point at which the actuating element 110 rests on the pole shoe 161 . The cap 180 with the bolt 182 also has a set screw 185 . The adjusting screw 185 limits the freedom of movement of the adjusting element 110, wherein the range of motion can be varied using the adjusting screw 185 as required.
Das Stellelement 110 kann mithilfe des Elektromagneten 130 auf eine Auslassöffnung 195 einer Düse 190 gedrückt werden. Die Auslassöffnung 195 der Düse 190 kann dabei vollständig von dem Stellelement 110 verdeckt werden. The actuating element 110 can be pressed onto an outlet opening 195 of a nozzle 190 with the aid of the electromagnet 130 . In this case, the outlet opening 195 of the nozzle 190 can be completely covered by the actuating element 110 .
Die Düse 190 weist eine Kammer 197 auf. Die Kammer 197 wird von einem zweiten Ge häuse 198 gebildet. Das zweite Gehäuse 198 ist an der Wand 125 der Vorrichtung 100 ange bracht. Die Düse 190 und das zweite Gehäuse 198 können in dieser Ausführung als Teil der Vorrichtung 100 betrachtet werden. In anderen Ausführungsformen können sie jedoch auch als Teil des IP-Wandlers ausgebildet werden, in dem die Vorrichtung 100 eingesetzt wird. Der Polschuh 161 des Flussleitstücks 160 dient zur wippenartigen Lagerung des Stellele ments 110. Zu diesem Zweck ist der Polschuh 161 derart angeordnet, dass er 0,5 mm aus dem zweiten Gehäuse 198 herausragt. Der weitere Polschuh 166 schließt plan mit dem zweiten Ge häuse 198 ab. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich in jeder Stellung des Stellelements 110 ein Luftspalt zwischen dem Stellelement 110 und dem weiteren Polschuh 166 befindet. Die Größe des Luftspalts kann jedoch mithilfe der Verstelleinrichtung 168 variiert wer den. The nozzle 190 has a chamber 197 . The chamber 197 is formed by a second housing 198 Ge. The second housing 198 is on the wall 125 of the device 100 is introduced. The nozzle 190 and the second housing 198 can be considered part of the device 100 in this embodiment. In other embodiments, however, they can also be formed as part of the IP converter in which the device 100 is used. The pole shoe 161 of the flux conducting piece 160 is used to mount the actuator 110 like a rocker. The other pole piece 166 closes flat with the second housing 198 Ge. In this way it can be ensured that there is an air gap between the actuating element 110 and the further pole shoe 166 in every position of the actuating element 110 . However, the size of the air gap can be varied using the adjustment device 168 .
Durch den Aufbau der Vorrichtung 100 befinden sich die elektrische Spule bzw. der Elekt romagnet 130 und dessen Ansteuerung 150 in einem komplett druckfest gekapselten Raum, d.h. genau die Komponenten, die die höchste elektrische Leistung innerhalb des Systems bzw. der explosions- oder brandgefährdeten Umgebung benötigen, aufnehmen und/oder über Kon taktstellen verteilen, befinden sich in dem komplett druckfest gekapselten Raum. Die mechani schen bzw. pneumatischen Komponenten, insbesondere das Stellelement 110 und die Düse 190, befinden sich außerhalb des druckfest gekapselten Raums. Dies erleichtert nicht nur die Installation und Wartung dieser Komponenten, sondern ermöglicht es ebenfalls die Baugröße des ersten Gehäuses 120 zu reduzieren. Due to the structure of the device 100, the electrical coil or the electromagnet 130 and its control 150 are located in a completely flameproof encapsulated space, i.e. precisely the components that require the highest electrical power within the system or the environment at risk of explosion or fire , record and/or distribute via contact points are located in the completely flameproof encapsulated room. The mechanical or pneumatic components, in particular the actuating element 110 and the nozzle 190, are located outside of the flameproof encapsulated space. This not only facilitates the installation and maintenance of these components, but also enables the size of the first housing 120 to be reduced.
Das Flussleitstück 160, das weitere Flussleitstück 165 und das magnetisch leitende Ver bindungsstück 167 können mithilfe des Elektromagneten 130 magnetisiert werden. Die Magne tisierung ist proportional zu dem an dem Elektromagneten 130 angelegten Strom. Die Magneti sierung wird durch den Polschuh 161 auf das Stellelement 110 übertragen. Das Stellelement 110, das Flussleitstück 160, das weitere Flussleitstück 165 und das magnetisch leitende Ver bindungsstück 167 bilden einen magnetischen Kreis, der lediglich durch einen Luftspalt zwi schen dem weiteren Polschuh 166 und dem Stellelement 110 unterbrochen wird. Dabei hängt die Kraft, die der Elektromagnet 130 auf das Stellelement 110 ausüben kann, von der Größe des Luftspalts ab und ist am größten, wenn der Abstand zwischen Stellelement 110 und dem weiteren Polschuh 166 am geringsten ist. Der Luftspalt ist dabei so bemessen, dass die Bede ckung der Auslassöffnung 195 durch das Stellelement 110 in jeder Stellung mit nahezu der gleichen Genauigkeit und mit lediglich geringen Verzögerungen bzw. Schaltzeiten gesteuert bzw. reguliert werden kann. The flux conducting piece 160, the further flux conducting piece 165 and the magnetically conductive connecting piece 167 can be magnetized using the electromagnet 130. The magnetization is proportional to the current applied to the electromagnet 130 . The magnetization is transmitted to the actuating element 110 by the pole shoe 161 . The actuating element 110, the flux conducting piece 160, the further flux conducting piece 165 and the magnetically conductive connecting piece 167 form a magnetic circuit which is only interrupted by an air gap between the further pole shoe 166 and the actuating element 110. The force that the electromagnet 130 can exert on the actuating element 110 depends on the size of the air gap and is greatest when the distance between the actuating element 110 and the further pole shoe 166 is at its smallest. The air gap is dimensioned in such a way that the covering of the outlet opening 195 by the actuating element 110 can be controlled or regulated in any position with almost the same accuracy and with only slight delays or switching times.
In dieser Ausführungsform wird das Flussleitstück 160 durch den Kern 162 des Elektro magneten 130 und durch den Polschuh 161 gebildet. In anderen Ausführungsformen kann der Kern des Elektromagneten 130 auch durch das weitere Flussleitstück 165 gebildet werden. Die Position des Elektromagneten 130 spielt bei magnetisch ideal leitenden Flussleitstücken grund sätzlich keine Rolle. In this embodiment, the flux conducting piece 160 is formed by the core 162 of the electromagnet 130 and by the pole piece 161 . In other embodiments, the core of the electromagnet 130 can also be formed by the additional flux conducting piece 165 . In principle, the position of the electromagnet 130 plays no role in the case of magnetically ideally conducting flux guide pieces.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Deckels 200 der Vorrichtung 100. Der Deckel 200 umfasst das Stellelement 110, die Wand 125, den Elektromagneten 130 und die Düse 190. Die Ansicht veranschaulicht, dass der Deckel 200 als Ganzes aus dem ersten Gehäuse 120 gehoben bzw. gezogen werden kann. Zudem zeigt die Ansicht, dass das Stellelement 110 die Düse 190 nach dem Prallplattenprinzip verdeckt. Das Stellelement 110 ist zu diesem Zweck an dem Ende, das sich über der Düse 190 befindet, als Prallplatte ausgeführt. Fig. 2 shows a view of a cover 200 of the device 100. The cover 200 includes the actuating element 110, the wall 125, the electromagnet 130 and the nozzle 190. The view 12 illustrates that the lid 200 can be lifted or pulled out of the first housing 120 as a whole. The view also shows that the adjusting element 110 covers the nozzle 190 according to the baffle plate principle. For this purpose, the adjusting element 110 is designed as a baffle plate at the end that is located above the nozzle 190 .
Im Betrieb wird das Stellelement 110 durch den Strom durch den Elektromagneten 130 und die durch den Elektromagneten 130 auf das Stellelement 110 ausgeübte Magnetkraft ge steuert. Sie kann dabei die Auslassöffnung 195 der Düse 190 vollständig verschließen (Schließ stellung). Bei ausgeschaltetem Elektromagneten 130, d.h. wenn kein Strom durch den Elektro magneten 130 fließt und das Flussleitstück nicht magnetisiert ist, und sofern die Kammer 197 mit Druckluft versorgt wird, wird das Stellelement 110 durch den durch die Druckluft ausgeübten Staudruck zwischen Auslassöffnung 195 und dem Stellelement 110 bis zu der Stellung ange hoben, die durch die Position der Stellschraube 185 vorgegeben wird (Offenstellung). Das Stel lelement 110 kann aber auch jede Position dazwischen einnehmen. In operation, the actuator 110 is controlled by the current through the electromagnet 130 and the force exerted by the electromagnet 130 on the actuator 110 magnetic force. You can completely close the outlet opening 195 of the nozzle 190 (closed position). When the electromagnet 130 is switched off, i.e. when no current is flowing through the electromagnet 130 and the flux conducting piece is not magnetized, and provided that the chamber 197 is supplied with compressed air, the actuating element 110 is activated by the dynamic pressure exerted by the compressed air between the outlet opening 195 and the actuating element 110 raised to the position which is determined by the position of the adjusting screw 185 (open position). However, the actuating element 110 can also assume any position in between.
Fig. 3 zeigt ein Detail 300 des Deckels 200 bzw. der Vorrichtung 100, wobei das Gegen gewicht 170 und die Kappe 180 entfernt wurden, um eine Draufsicht auf die Lagerung des Stel lelements 110 zu ermöglichen, insbesondere auf einen zu diesem Zweck vorgesehenen recht eckigen fensterförmigen Ausschnitt 305. Das Detail 300 umfasst einen Abschnitt 310 des Pol schuhs 161 und einen Abschnitt 320 des Polschuhs 166. Die Abschnitte 310 und 320 sind die jenigen Teile der Polschuhe 161 und 166, die in der Vorrichtung 100 durch die Wand 125 geführt sind. Beide Abschnitte verjüngen sich stufenweise. Mithilfe des über den Deckel 125 hinausste henden zylinderförmigen Abschnitts 310 und des rechteckigen fensterförmigen Ausschnitts 305 kann das Stellelement 110 an zwei Punkten auf dem Polschuh 161 gelagert werden. Zu Fixie rung des Stellelements 110 an den zwei Punkten sind zwei Führungsstifte 370 vorgesehen. Die Führungsstifte 370 können durch ein Kreisloch 350 und ein Langloch 360 des Stellelements 110 geführt werden. Die Führungsstifte 370 und der fensterförmige Ausschnitt 305 sind so angeord net, dass das Stellelement 110 auf dem Polschuh 161 wippenartig bzw. drehbar um die durch die Auflagepunkte gebildete Achse gelagert ist. Fig. 3 shows a detail 300 of the lid 200 or the device 100, wherein the counterweight 170 and the cap 180 have been removed to allow a plan view of the storage of the Stel lelements 110, in particular on a rectangular provided for this purpose window-shaped cutout 305. Detail 300 includes a section 310 of pole shoe 161 and a section 320 of pole shoe 166. Sections 310 and 320 are those parts of pole shoes 161 and 166 that are guided through wall 125 in device 100. Both sections taper gradually. The actuating element 110 can be mounted on the pole shoe 161 at two points with the aid of the cylindrical section 310 projecting beyond the cover 125 and the rectangular window-shaped cutout 305 . Two guide pins 370 are provided for fixing the actuating element 110 at the two points. The guide pins 370 can be guided through a circular hole 350 and a slot 360 in the actuating element 110 . The guide pins 370 and the window-shaped cutout 305 are arranged in such a way that the actuating element 110 is mounted on the pole shoe 161 in the manner of a seesaw or rotatably about the axis formed by the support points.
Die Abschnitte 310 und 320 weisen zudem Stufen 330 auf. Die Stufen 330 werden durch die Verwendung unterschiedlicher Radien in der zylinderförmigen Ausführung der Abschnitte 310 und 320 gebildet. Die Durchführung der Polschuhe 161 und 166 durch die Wand 125 des ersten Gehäuses 120 erfolgt mithilfe zweier Bohrlöcher, die ebenfalls mit unterschiedlichen Ra dien ausgeführt werden, so dass die Stufen 330 in entsprechende Stufen der Bohrungen ein- greifen können. Auf diese Weise werden die Polschuhe 161 und 166 gegen ein Verrutschen aus dem ersten Gehäuse 120 heraus gesichert. The sections 310 and 320 also have steps 330 . The steps 330 are formed through the use of different radii in the cylindrical design of sections 310 and 320 . The passage of the pole shoes 161 and 166 through the wall 125 of the first housing 120 takes place with the aid of two boreholes, which are also designed with different radii, so that the steps 330 can engage in corresponding steps of the boreholes. In this way, the pole shoes 161 and 166 are secured against slipping out of the first housing 120 .
Fig. 4 zeigt eine andere Ansicht des Details 300. Die Ansicht veranschaulicht die Lage des Kreislochs 350 und des Langlochs 360 bezüglich der Auflagepunkte des Stellelements 110 auf dem Polschuh 161. Die Mittelpunkte der Führungsstifte (370) liegen in dieser Ansicht auf einer Achse, die durch die Auflagepunkte gebildet wird. Die Fixierung des Stellelements 110 erfolgt damit über eine linienförmige Auflage und erlaubt somit eine wippenmäßige Verkippung. Figure 4 shows another view of detail 300. The view illustrates the situation of the circular hole 350 and the elongated hole 360 with respect to the support points of the actuating element 110 on the pole shoe 161. In this view, the centers of the guide pins (370) lie on an axis formed by the support points. The positioning element 110 is thus fixed via a linear support and thus allows tilting like a seesaw.
Das Kreisloch 350 und das Langloch 360 sind bzgl. Durchmesser bzw. Langlochbreite geringfügig größer als der Außendurchmesser der Führungsstifte 370. Auf diese Weise wird ein Reiben bzw. Klemmen verhindert und die nötige Bewegungsfreiheit für das Kippen des Stellele ments 110 gewährleistet. The circular hole 350 and the slot 360 are slightly larger in diameter or slot width than the outer diameter of the guide pins 370. This prevents rubbing or jamming and ensures the necessary freedom of movement for tilting the adjusting element 110.
Fig. 5 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens 500 zum Betätigen eines Stellelements 110 mittels der Vorrichtung 100. In einem ersten Schritt 510 wird der IP-Wandler mit der Vorrichtung 100 bereitgestellt. In Schritt 520 wird ein (Arbeits-)Druck vorgegeben, und damit auch eine be stimmte Stellung des Stellelements 110. Die Steuerung 150 der Vorrichtung 100 steuert darauf hin in Schritt 530 den Strom durch den Elektromagneten 130, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das das Stellelement 110 in die durch den vorgegebenen Druck bestimmte Stellung bewegt, so dass sich der vorgegebene Druck in der Kammer 197 einstellt. FIG. 5 shows a flow chart of a method 500 for actuating an actuating element 110 by means of the device 100. In a first step 510, the IP converter with the device 100 is provided. In step 520, a (working) pressure is specified, and thus also a specific position of actuating element 110. In step 530, controller 150 of device 100 then controls the current through electromagnet 130 in order to generate a magnetic field that Actuating element 110 is moved into the position determined by the predetermined pressure, so that the predetermined pressure in chamber 197 is established.
Die in Schritt 520 durch den vorgegebenen Druck bestimmte Stellung ist in diesem Aus führungsbeispiel eine Stellung zwischen der Schließ- und der Offenstellung des Stellelements 110, einschließlich der Schließ- oder Offenstellung. Durch das von dem Elektromagneten 130 erzeugte Magnetfeld wird in Schritt 530 eine Kraft auf das Stellelement 110 ausgeübt, die das Stellelement in die durch den vorgegebenen Druck bestimmte Position bewegt oder, falls sich das Stellelement 110 bereits in dieser Position befindet, darin hält. Das Stellelement 110 wird dabei zu einer Kippbewegung um die durch die beiden Auflagepunkte definierte Achse veran lasst, sofern sich das Stellelement 110 nicht schon in der vorgegebenen Position bzw. Stellung befindet. In this exemplary embodiment, the position determined in step 520 by the specified pressure is a position between the closed and the open position of the actuating element 110, including the closed or open position. The magnetic field generated by the electromagnet 130 exerts a force on the actuating element 110 in step 530, which moves the actuating element into the position determined by the predetermined pressure or, if the actuating element 110 is already in this position, holds it there. The actuating element 110 is caused to perform a tilting movement about the axis defined by the two support points if the actuating element 110 is not already in the predetermined position or position.
Die für das Erreichen oder Halten der Position des Stellelements 110 nötige Stromstärke kann die Steuerung 150 anhand einer Strom-Druck-Kennlinie, die vor der Bereitstellung des IP- Wandlers bzw. der Vorrichtung 100 gemessen und in einer Speichereinheit der Steuerung 150 hinterlegt wurde, bestimmen. Häufig wird sie jedoch in einem Regelmodus betrieben, bei dem sie die Stromstärke anhand eines feedback-Signals solange verändert, bis der gewünschte Druck erreicht wird. The current strength required to reach or hold the position of the actuating element 110 can be determined by the controller 150 using a current-pressure characteristic curve that was measured before the IP converter or the device 100 was provided and stored in a memory unit of the controller 150 . However, it is often operated in a control mode in which it changes the current strength based on a feedback signal until the desired pressure is reached.
Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 600, die sehr ähnlich zu der Vorrichtung 100 aufgebaut ist. Die Vorrichtung 600 weist eine Wand 625 auf. Die Wand 625 stellt eine ein stückige Ausführung der Wand 125 und des zweiten Gehäuses 198 der Vorrichtung 100 dar. Zusätzliche Schritte zur Montage des zweiten Gehäuses 198 können somit entfallen. Zudem hält die Wand 625 größeren Belastungen stand als die Wand 125. Das gilt auch, wenn das zweite Gehäuse 198 an der Wand 125 befestigt ist, und insbesondere für die Verbindung des zweiten Gehäuses 198 mit der Wand 125. FIG. 6 shows a device 600 according to the invention, which is constructed very similarly to the device 100 . The device 600 has a wall 625 . The wall 625 represents a one-piece design of the wall 125 and the second housing 198 of the device 100. Additional steps for assembling the second housing 198 can thus be omitted. In addition, the 625 wall can withstand greater loads than the 125 wall. This also applies if the second housing 198 is fixed to the wall 125, and in particular for the connection of the second housing 198 to the wall 125.
Fig. 7 zeigt ein Detail 700 einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betätigen eines Stellelements. Das Detail 700 umfasst eine Wand 725. Durch die Wand 725 sind ein Flussleitstück 760 mit einem Polschuh 761 und ein Flussleitstück 765 mit einem Polschuh 766 zünddurchschlagsicher geführt. Die Flussleitstücke 760 und 765 sind im Vergleich zu den Flussleitstücken 160 und 165 nicht über ein magnetisch leitendes Verbin dungsstück 167, sondern direkt miteinander verbunden. Auf diese Weise kann die Anzahl pa- rasitärer Luftspalte zwischen den magnetisch leitenden Komponenten der Vorrichtung reduziert werden. FIG. 7 shows a detail 700 of an alternative embodiment of a device according to the invention for actuating an actuating element. The detail 700 includes a wall 725. A flux conducting piece 760 with a pole shoe 761 and a flux conducting piece 765 with a pole shoe 766 are guided through the wall 725 in a flameproof manner. In contrast to the flux guides 160 and 165, the flux guide pieces 760 and 765 are not connected via a magnetically conductive connection piece 167, but directly to one another. In this way, the number of parasitic air gaps between the magnetically conductive components of the device can be reduced.
Fig. 8 zeigt ein Detail 800 einerweiteren alternativen Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung zum Betätigen eines Stellelements. Das Detail 800 umfasst ebenfalls eine Wand 825. Durch die Wand 825 ist ein Flussleitstück 860 mit einem Polschuh 861 und einem Polschuh 866 zünddurchschlagsicher geführt. Die Polschuhe 861 und 866 sind durch die ein stückige, U-förmige Ausführung des Flussleitstücks 860 direkt miteinander verbunden, d.h. es befinden sich keine parasitären Luftspalte zwischen den Polschuhen 861 und 866. Fig. 8 shows a detail 800 of a further alternative embodiment of a device according to the invention for operating an actuator. The detail 800 also includes a wall 825. A flux guide piece 860 with a pole shoe 861 and a pole shoe 866 is guided through the wall 825 in a flameproof manner. The pole shoes 861 and 866 are directly connected to one another by the one-piece, U-shaped design of the flux guide piece 860, i.e. there are no parasitic air gaps between the pole shoes 861 and 866.
Glossar glossary
Druckfest / Druckfeste Kapselung Flameproof / flameproof enclosure
Druckfest oder druckfeste Kapselung bezeichnet eine Ausführung von Geräten nach einer Zündschutzart deren Funktionsweise auf dem Einschluss einer im Gehäuseinneren eventuell auftretenden Explosion basiert. Erreicht wird dieses durch eine explosionsdruckfeste Auslegung des Gehäuses zusammen mit zünddurchschlagsicheren Spalten an allen Gehäuseöffnungen, z.B. an der Wellendurchführung bei einem Motor. Des Weiteren muss die Oberflächentempera tur auch bei Auftreten eines zu erwartenden Fehlers unter der Zündtemperatur der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre begrenzt werden. Die Anforderungen dieser Zündschutzart sind in der Norm EN 60079-1 beschrieben. Pressure-resistant or pressure-resistant encapsulation refers to the design of devices according to a type of protection whose function is based on the containment of an explosion that may occur inside the housing. This is achieved through an explosion-proof design of the housing together with flameproof gaps at all housing openings, e.g. at the shaft bushing in a motor. Furthermore, the surface temperature must be limited below the ignition temperature of the surrounding potentially explosive atmosphere even if an expected fault occurs. The requirements of this type of protection are described in the standard EN 60079-1.
Elektromagnet electromagnet
Ein Elektromagnet ist ein Magnet, der eine Spule enthält, in der sich infolge eines elektri schen Stromes ein magnetisches Feld bilden kann. Elektromagnete weisen in vielen Fällen ei nen Kern auf, der das durch den Stromfluss gebildete Magnetfeld führt und verstärkt. Der Kern wird in der Regel von einem Flussleitstück gebildet. Elektromagnete werden als Betätigungs magnete in Zug-, Klapp- oder Tauchankern, in Relais oder Sicherungen eingesetzt. Weitere Anwendungen betreffen Elektromotoren, Separatoren oder Helmholtz-Spulen. An electromagnet is a magnet that contains a coil in which a magnetic field can form as a result of an electrical current. In many cases, electromagnets have a core that guides and strengthens the magnetic field created by the current flow. The core is usually formed by a flux guide. Electromagnets are used as actuating magnets in tension, folding or plunger armatures, in relays or fuses. Other applications relate to electric motors, separators or Helmholtz coils.
Explosion explosion
Eine Explosion ist ein Vorgang mit einer nach außen gerichteten raschen Volumenaus dehnung in Verbindung mit einer Freisetzung von großen Energiemengen, in der Regel unter Erzeugung hoher Temperaturen und Freisetzung von Druck- und Bewegungsenergie. Von hochexplosiven Stoffen erzeugte Überschallexplosionen werden als Detonationen bezeichnet und laufen über Schockwellen ab. Unterschall-Explosionen werden von niedrigen Explosivstof fen durch einen langsameren Verbrennungsprozess erzeugt, der als Deflagration bezeichnet wird. An explosion is a process of rapid outward expansion in volume combined with the release of large amounts of energy, usually generating high temperatures and releasing pressure and kinetic energy. Supersonic explosions produced by high explosives are called detonations and occur via shock waves. Subsonic explosions are created from low explosives by a slower combustion process called deflagration.
Flussleitstück flow guide
Ein Flussleitstück ist ein Bauteil aus einem weichmagnetischen Material, das infolge die ser Eigenschaft einen magnetischen Fluss eines auf das Flussleitstück wirkenden Magnetfeldes in sich konzentriert (verstärkt) bzw. (weiter)leitet. Flussleitstücke werden bspw. in Elektromag neten, Elektromotoren oder Generatoren eingesetzt. Flussleitstücke können stab-, Zylinder- o- der hufeisenförmig sein. IP-Wandler A flux guide is a component made of a soft magnetic material which, as a result of this property, concentrates (increases) or (further) conducts a magnetic flux of a magnetic field acting on the flux guide. Flux guides are used, for example, in electromagnets, electric motors or generators. Flux guides can be rod-, cylinder- or horseshoe-shaped. IP converter
Ein IP-Wandler ist ein elektrisch-pneumatischer Umformer. IP-Wandler weisen einen Elektromagneten, ein Magnetjoch und ein kippbar gelagertes oder längsbewegliches Stellele ment auf. Durch das Stellelement kann eine Auslassdüse verschlossen und wieder freigegeben werden, wobei dies abhängig von der das Stellelement abstoßenden pneumatischen Kraft und der das Stellelement anziehenden magnetischen Kraft geschieht. IP-Wandler werden mit Druck luft mit einem Vordruck Pv versorgt. Durch das Öffnen bzw. Verschließen der Auslassdüse wird der Ausgangsluftdruck Pa eingestellt. An IP converter is an electric-pneumatic converter. IP converters have an electromagnet, a magnetic yoke and a tiltable or longitudinally movable adjusting element. An outlet nozzle can be closed and released again by the actuating element, this taking place as a function of the pneumatic force repelling the actuating element and the magnetic force attracting the actuating element. IP converters are supplied with compressed air with a pre-pressure Pv. The outlet air pressure Pa is set by opening or closing the outlet nozzle.
Polschuh pole shoe
Ein Polschuh ist ein Bauteil aus einem weichmagnetischen Material, der dazu dient, die magnetischen Feldlinien eines Permanent- oder Elektromagneten oder eines Flussleitstücks in einer definierten Form heraustreten zu lassen und zu verteilen. A pole shoe is a component made of a soft magnetic material that is used to allow the magnetic field lines of a permanent or electromagnet or a flux guide to emerge and distribute them in a defined form.
Stellelement actuator
Ein Stellelement ist ein Element, das zur Betätigung und Auslösung mechanischer, pneu matischer, hydraulischer oder elektrischer Vorrichtungen dient, z.B. zum Öffnen oder Verschlie ßen einer Auslassöffnung oder zum Schalten in Sicherungen oder Relais. An actuator is an element that is used to actuate and release mechanical, pneumatic, hydraulic or electrical devices, e.g. to open or close an outlet opening or to switch fuses or relays.
Weichmagnetisch Soft magnetic
Weichmagnetische Materialien sind Materialien mit hoher Permeabilität, die sich leicht magnetisieren und wieder entmagnetisieren lassen. Sie verstärken Magnetfelder um ihre Per meabilität und zeichnen sich durch niedrige Koerzitiv- und/oder Remanenzfeldstärken aus. Zu den weichmagnetischen Materialien gehören das sogenannte Weicheisen, Elektro- bzw. Dyna moblech sowie Stähle mit niedrigem Kohlenstoffanteil oder Silizium-Zusatz (FeSi), Eisen-Legie rungen wie FeNi, FeCo, FeAl oder FeAlSi und Ferrite. zünddurchschlagsichere Durchführung Soft magnetic materials are materials with high permeability that can be magnetized and demagnetized easily. They amplify magnetic fields by their permeability and are characterized by low coercive and/or remanent field strengths. The soft magnetic materials include the so-called soft iron, electrical or dynamo sheets and steels with a low carbon content or added silicon (FeSi), iron alloys such as FeNi, FeCo, FeAl or FeAlSi and ferrites. flameproof implementation
Eine zünddurchschlagsichere Durchführung ist eine Durchführung eines Bauteils durch ein Gehäuse, bei der Spalte und Öffnungen zwischen dem hindurchgeführten Bauteil und dem Gehäuse so gestaltet bzw. ausgeführt sind, dass eine Ausbreitung von Funken oder Flammen durch die Spalten oder Öffnungen hindurch verhindert wird bzw. nicht möglich ist. Zünddurch schlagsicherheit kann dabei durch ein Vergießen oder Verstopfen der Spalte oder Öffnungen mit einem Isolierstoff erfolgen, der die Ausbreitung von Funken oder Flammen durch die Spalten oder Öffnungen hindurch verhindert. Sie kann auch hergestellt werden, indem die Spalten und Öffnungen auf ein Maß reduziert werden, die ein Eindringen eines Funkens oder einer Flamme verhindern oder bei dem ein in den Spalt oder die Öffnung eindringender Funke und/oder eine in den Spalt oder die Öffnung eindringende Flamme aufgrund der geometrischen Abmessungen und/oder Form erlischt. Zündschutzart A flameproof feedthrough is a feedthrough of a component through a housing in which gaps and openings between the component passed through and the housing are designed or constructed in such a way that sparks or flames are prevented or not possible from spreading through the gaps or openings is. Ignition safety can be achieved by casting or plugging the gaps or openings with an insulating material that prevents the spread of sparks or flames through the gaps or openings. It can also be made by reducing the gaps and openings to a level that allows penetration of a spark or flame prevent or in which a spark and/or a flame penetrating into the gap or opening is extinguished due to the geometric dimensions and/or shape. type of protection
Eine Zündschutzart bezeichnet Konstruktionsprinzipien im Bereich des Explosionsschut zes. Hinter jeder Zündschutzart steckt die Grundidee, das Risiko des gleichzeitigen Vorhan denseins einer explosionsfähigen Atmosphäre und von Zündquellen zu minimieren. A type of protection designates design principles in the field of explosion protection. The basic idea behind every type of protection is to minimize the risk of the simultaneous presence of an explosive atmosphere and ignition sources.
Bezugszeichen Vorrichtung Stellelement erstes Gehäuse Wand Verbindungsspalt Elektromagnet Verbindungsleitung Steuerung Flussleitstück Polschuh Kern Verstelleinrichtung weiteres Flussleitstück weiterer Polschuh magnetisch leitendes Verbindungsstück Verstelleinrichtung Gegengewicht Kappe Bolzen Stellschraube Düse Auslassöffnung Kammer zweites Gehäuse Deckel Detail fensterförmiger Ausschnitt Abschnitt Abschnitt Stufe Kreisloch Langloch Führungsstift Verfahren Bereitstellen einer Vorrichtung 100 Vorgeben einer Stellung des Stellelements 110 Einstellen der Stellung des Stellelements 110 Verfahren Wand Detail Wand Flussleitstück Polschuh Flussleitstück Polschuh Detail Wand Flussleitstück Polschuh Polschuh Reference sign device control element first housing wall connecting gap electromagnet connecting line control flux conducting piece pole shoe core adjusting device further flux conducting piece further pole shoe magnetically conductive connecting piece adjusting device counterweight cap bolt adjusting screw nozzle outlet opening chamber second housing cover detail window-shaped cutout section section step circular hole long hole guide pin Method providing a device 100 specifying a position of the actuating element 110 adjusting the position of the actuating element 110 method wall detail wall flux guide pole shoe flux guide pole shoe detail of wall flux guide pole shoe pole shoe
zitierte Literatur zitierte Patentliteratur literature cited patent literature cited
DE 2926549 A1 DE 19843519 A1 DE 102012 003 175 B4 EP 1 138994 A2 DE 198 18336 C1 DE 102018 123 166 B3 US 5,464,041 A US 5,450,871 A US 5,139,226 A zitierte Nicht-Patentliteratur DE 2926549 A1 DE 19843519 A1 DE 102012 003 175 B4 EP 1 138994 A2 DE 198 18336 C1 DE 102018 123 166 B3 US 5,464,041 A US 5,450,871 A US 5,139,226 A
DIN-Norm EN 60079-0 DIN-Norm EN 60079-1 DIN-Norm EN 60079-11 DIN-Norm EN 60079-18 DIN standard EN 60079-0 DIN standard EN 60079-1 DIN standard EN 60079-11 DIN standard EN 60079-18

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Vorrichtung (100) zum Betätigen eines Stellelements (110) in einer explosions- oder brand gefährdeten Umgebung, wobei die Vorrichtung (100) die folgenden Komponenten auf weist: 1. Device (100) for actuating an actuating element (110) in an explosive or fire-hazardous environment, the device (100) having the following components:
1.1 ein erstes Gehäuse (120) mit einer Wand (125; 725; 825); 1.1 a first housing (120) with a wall (125; 725; 825);
1.2 einen Elektromagneten (130), 1.2 an electromagnet (130),
1.2.1 wobei der Elektromagnet (130) innerhalb des ersten Gehäuses (120) angeordnet ist;1.2.1 wherein the electromagnet (130) is disposed within the first housing (120);
1.3 ein zweites Gehäuse (198); 1.3 a second housing (198);
1.3.1 wobei das zweite Gehäuse (198) außerhalb des ersten Gehäuses (120) und das Stellele ment (110) an dem zweiten Gehäuse (198) angeordnet ist; 1.3.1 the second housing (198) being arranged outside of the first housing (120) and the adjusting element (110) being arranged on the second housing (198);
1.4 mindestens ein weichmagnetisches Flussleitstück (160, 165; 760, 765; 860); 1.4 at least one soft magnetic flux guide piece (160, 165; 760, 765; 860);
1.4.1 wobei mindestens eines der Flussleitstücke (160, 165; 760, 765; 860) derart angeordnet ist, dass es durch ein Magnetfeld im Inneren des Elektromagneten (130) magnetisiert wer den kann; 1.4.1 wherein at least one of the flux guide pieces (160, 165; 760, 765; 860) is arranged in such a way that it can be magnetized by a magnetic field inside the electromagnet (130);
1.4.2 wobei das mindestens eine Flussleitstück (160, 165; 760, 765; 860), das durch das Mag netfeld im Inneren des Elektromagneten (130) magnetisiert werden kann, durch die Wand (125; 725; 825) des ersten Gehäuses (120) und durch das zweite Gehäuse (198) geführt ist; 1.4.2 wherein the at least one flux guide piece (160, 165; 760, 765; 860), which can be magnetized by the magnetic field inside the electromagnet (130), through the wall (125; 725; 825) of the first housing ( 120) and passed through the second housing (198);
1.4.3 wobei der durch die Wand (125; 725; 825) des ersten Gehäuses (120) und durch das zweite Gehäuse (198) geführte Teil des mindestens einen Flussleitstücks (160, 165; 760, 765; 860) einstückig ausgeführt ist; 1.4.3 wherein the part of the at least one flux guide piece (160, 165; 760, 765; 860) that is guided through the wall (125; 725; 825) of the first housing (120) and through the second housing (198) is made in one piece;
1.4.4 wobei das erste Gehäuse (120) und die Durchführung des Flussleitstücks (160, 165; 760, 765; 860) durch die Wand (125; 725; 825) des ersten Gehäuses (120) zünddurchschlag- sicher ausgestaltet sind; 1.4.4 wherein the first housing (120) and the passage of the flux guide (160, 165; 760, 765; 860) through the wall (125; 725; 825) of the first housing (120) are designed to be flameproof;
1.5 das Stellelement (110), 1.5 the actuating element (110),
1.5.1 wobei das Stellelement (110) derart ausgeführt ist, dass es mittels des Magnetfelds betä tigt werden kann, das mit Hilfe des mindestens einen Flussleitstücks (160, 165; 760, 765; 860) aus dem ersten Gehäuse (120) herausgeleitet wird. 1.5.1 wherein the actuating element (110) is designed in such a way that it can be actuated by means of the magnetic field that is conducted out of the first housing (120) with the aid of the at least one flux conducting piece (160, 165; 760, 765; 860). .
2. Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (125; 725; 825) und das zweite Gehäuse (198) einstückig ausgeführt sind. 2. Device (100) according to the preceding claim, characterized in that the wall (125; 725; 825) and the second housing (198) are made in one piece.
3. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (120) ein druckfestes Gehäuse (120) ist. 3. Device (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that that the first housing (120) is a pressure-resistant housing (120).
4. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (120) und/oder die Wand (125; 725; 825) des ersten Gehäuses (120) und/oder das zweite Gehäuse (198) aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Material gefertigt sind. 4. Device (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first housing (120) and / or the wall (125; 725; 825) of the first housing (120) and / or the second housing (198). are made of a paramagnetic or diamagnetic material.
5. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine durch die Wand des ersten Gehäuses (120) und durch das zweite Gehäuse (198) geführte Flussleitstück (160, 165; 760, 765; 860) gegen ein Verrutschen aus dem ersten Gehäuse (120) und/oder dem zweiten Gehäuse (198) heraus gesichert ist. 5. Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one through the wall of the first housing (120) and through the second housing (198) guided flux guide (160, 165; 760, 765; 860) against slipping out of the first housing (120) and/or the second housing (198) is secured.
6. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine durch das erste Gehäuse (120) und das zweite Gehäuse (198) ge führte Flussleitstück (160; 760; 860) nach außen hin aus dem zweiten Gehäuse (198) herausragt und zur Lagerung des Stellelements (110) dient. 6. Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one through the first housing (120) and the second housing (198) guided flux guide (160; 760; 860) to the outside of the second housing (198) protrudes and serves to support the actuating element (110).
7. Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, 7. Device (100) according to the preceding claim, characterized in that
7.1 dass das Stellelement (110) einen fensterförmigen Ausschnitt (305) aufweist; und 7.1 that the actuating element (110) has a window-shaped cutout (305); and
7.2 dass der fensterförmige Ausschnitt (305) an dem zur Lagerung dienenden Flussleitstück7.2 that the window-shaped cutout (305) on the flux guide piece used for storage
(160; 760; 860) an nur zwei Punkten aufliegt. (160; 760; 860) rests at only two points.
8. Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, 8. Device (100) according to the preceding claim, characterized in that
8.1 dass die Vorrichtung (100) Führungsstifte (370) für das Stellelement (110) aufweist; 8.1 that the device (100) has guide pins (370) for the actuating element (110);
8.2 wobei das Stellelement (110) mithilfe der Führungsstifte (370) an den beiden Auflagepunk ten an dem Flussleitstück (160; 760; 860) fixiert werden kann. 8.2 wherein the adjusting element (110) can be fixed to the two support points on the flow guide piece (160; 760; 860) with the aid of the guide pins (370).
9. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 9. Device (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that
9.1 dass die Vorrichtung (100) eine Steuerung (150) für den Elektromagneten (130) aufweist; und 9.2 dass sich die Steuerung (150) in dem ersten Gehäuse (120) befindet. 9.1 that the device (100) has a controller (150) for the electromagnet (130); and 9.2 that the controller (150) is located in the first housing (120).
10. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 10. Device (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that
10.1 dass die Vorrichtung (100) eine Auslassöffnung (195) für ein Fluid aufweist; und 10.1 that the device (100) has an outlet opening (195) for a fluid; and
10.2 dass das Stellelement (110) so ausgeführt und angeordnet ist, dass durch das Betätigen des Stellelements (110) der Durchfluss eines Fluids durch die Auslassöffnung (195) ge steuert oder geregelt werden kann. 10.2 that the actuating element (110) is designed and arranged such that the flow of a fluid through the outlet opening (195) can be controlled or regulated by actuating the actuating element (110).
11. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 11. Device (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that
11.1 dass die Vorrichtung ein weiteres Flussleitstück (165; 765) umfasst; 11.1 that the device comprises a further flow guide piece (165; 765);
11.2 wobei das weitere Flussleitstück (165; 765) durch die Wand (125; 725; 825) des ersten Gehäuses (120) und das zweite Gehäuse (198) geführt ist; 11.2 the further flow guide piece (165; 765) being guided through the wall (125; 725; 825) of the first housing (120) and the second housing (198);
11.3 wobei der durch die Wand (125; 725; 825) des Gehäuses (120) und das zweite Gehäuse11.3 wherein the through the wall (125; 725; 825) of the housing (120) and the second housing
(198) geführte Teil des weiteren Flussleitstücks (165; 765) einstückig ausgeführt ist;(198) guided part of the further flux guide piece (165; 765) is made in one piece;
11.4 wobei die Durchführung des weiteren Flussleitstücks (165; 765) durch die Wand (125; 725; 11.4, the passage of the further flow guide piece (165; 765) through the wall (125; 725;
825) des ersten Gehäuses (120) zünddurchschlagsicher ausgestaltet ist; 825) of the first housing (120) is designed to be flameproof;
11.5 wobei das weitere Flussleitstück in dem ersten Gehäuse (120) mit dem mindestens einen11.5 wherein the further flux guide in the first housing (120) with the at least one
Flussleitstück (160, 760, 860) verbunden ist, das durch das Magnetfeld im Inneren des Elektromagneten (130) magnetisiert werden kann. Flux guide (160, 760, 860) is connected, which can be magnetized by the magnetic field inside the electromagnet (130).
12. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 12. Device (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that
12.1 dass im ersten Gehäuse (120) nur ein einziges, einstückiges Flussleitstück (860) angeord net ist; 12.1 that only a single, one-piece flux guide piece (860) is arranged in the first housing (120);
12.2 dass das Flussleitstück (860) zweimal durch die Wand (825) des ersten Gehäuses (120) und das zweite Gehäuse (198) geführt ist; 12.2 that the flow guide piece (860) is guided twice through the wall (825) of the first housing (120) and the second housing (198);
12.3 wobei die beiden Durchführungen des Flussleitstücks (860) durch die Wand (825) des ers ten Gehäuses (120) zünddurchschlagsicher ausgestaltet sind. 12.3, the two passages of the flux guide piece (860) through the wall (825) of the first housing (120) being designed to be flameproof.
13. IP-Wandler mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 13. IP converter with a device (100) according to any one of the preceding claims.
14. Magnetventil mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 14. Solenoid valve with a device (100) according to any one of the preceding claims.
15. Stellungsregler mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 16. Stellventil mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 15 position controller with a device (100) according to any one of the preceding claims. 16 control valve with a device (100) according to any one of the preceding claims.
17. Anlage mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 17. Plant with a device (100) according to any one of the preceding claims.
18. Verfahren (500) zum Betätigen eines Stellelements (110) in einer explosions- oder brand gefährdeten Umgebung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: 18. Method (500) for actuating an actuating element (110) in an explosive or fire-hazardous environment, the method comprising the following steps:
18.1 eine Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 wird bereitge stellt (510); 18.1 a device (100) according to one of the preceding claims 1 to 12 is provided (510);
18.2 eine Stellgröße wird vorgegeben (520); 18.2 a manipulated variable is specified (520);
18.3 die in den Elektromagneten (130) eingespeiste elektrische Leistung wird so eingestellt (530), dass sich das Stellelement (110) in eine der vorgegebenen Stellgröße entspre chende Position bewegt oder in dieser Position verbleibt, so dass die vorgegebene Stell größe erreicht wird oder unverändert bleibt. 18.3 the electrical power fed into the electromagnet (130) is adjusted (530) in such a way that the actuating element (110) moves into a position corresponding to the specified manipulated variable or remains in this position so that the specified manipulated variable is reached or remains unchanged remains.
19. Verfahren (500) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Stellelement (110) zur19. The method (500) according to the preceding claim, wherein the actuating element (110) for
Steuerung und / oder Regelung eines IP-Wandlers, eines Magnetventils, eines Stellungs reglers, eines Stellventils und/oder einer Anlage genutzt wird. Control and / or regulation of an IP converter, a solenoid valve, a position controller, a control valve and / or a system is used.
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