WO2005029004A2 - Stellungsregler, insbesondere für eine translatorische oder rotative bewegung - Google Patents

Stellungsregler, insbesondere für eine translatorische oder rotative bewegung Download PDF

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WO2005029004A2
WO2005029004A2 PCT/EP2004/009603 EP2004009603W WO2005029004A2 WO 2005029004 A2 WO2005029004 A2 WO 2005029004A2 EP 2004009603 W EP2004009603 W EP 2004009603W WO 2005029004 A2 WO2005029004 A2 WO 2005029004A2
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actuator
permanent magnet
position transmitter
magnet
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Maico Ludwig
Daniel Heinze
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Tuchenhagen Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • Pitch controller especially for a translatory or rotary movement
  • the invention relates to a positioner, in particular for a translational or a rotary movement, with a position transmitter for detecting the actual position of an actuator and with a controller unit for comparing the actual position with a predefinable target position and for generating an actuating signal, wherein as Position transmitter a magnet connected to the actuator and at least one magnetoresistive sensor are provided, which are displaceable relative to each other corresponding to a movement of the actuator and the controller unit is arranged in a second housing, separate from a housing unit of the position transmitter.
  • a positioner in particular for a lift valve that can be actuated by a drive, with an intrinsically safe structure of the generic type is known from the publication WO 01/88423 A1.
  • This positioner has a position transmitter (or also called a position transmitter), in which a magnet and a magnetoresistive sensor are provided, which can be rotated or moved corresponding to a movement of the actuator relative to one another, in which the controller unit is located in a second one, from the housing of the position transmitter separate, flameproof encapsulated housing is arranged, and in which the interface of the controller unit to the position transmitter and the position transmitter itself are electrically intrinsically safe.
  • the known positioner is particularly suitable for areas in which the atmosphere can become an explosive gas mixture. Suitable measures must be taken to ensure that the positioner poses no danger in any possible operating state. To do this, the occurrence of an ignition spark must be prevented by suitable measures. locks or the ignition of the atmosphere in the vicinity of the positioner must be prevented.
  • the position transmitter and the controller unit are each arranged separately in a separate housing. While the position transmitter must inevitably be arranged near the actuator due to the necessary proximity between the magnetoresistive sensor and the magnet, since the actuator carries the magnet, the controller unit can be arranged at a greater or lesser distance from the position transmitter.
  • the housing of the position transmitter is made of several pieces and is composed of a large number of individual parts.
  • a position detection device with magnetoresistive sensors which has a high measurement accuracy with regard to the precise detection of positions and distances, is known from the publication US Pat. No. 5,589,769.
  • the device described there serves to determine a position of an element that is translationally movable, for example, along a longitudinal axis or a line in the form of an arc section.
  • a magnet is attached to the element.
  • an arrangement of a plurality of magnetic field transducers is provided, which are arranged in an arrangement parallel and in the vicinity of the path defined by the element, each of these preferably magnetoresistive field transducers giving a bipolar output signal when the magnet approaches, passes and away from each field transducer moved away.
  • the arrangement of field transformers gives one Numerous output signal values for a position of the magnet, which are used to determine this position and thus the element to which the magnet is attached.
  • the magnetic field transducers are, for example, Hall sensors which generate a voltage change proportional to this change when the magnetic field changes.
  • Position detection devices described in the publications enable it to generate, for example, an electrical output signal proportional to the valve lifter movement of a lifting valve, which can be evaluated in a valve control for position detection in accordance with, for example, US Pat. No. 5,704,586.
  • the position transmitter of the positioner has a number of magnetoresistive ver sensors arranged in a row.
  • the actuator is provided with a magnet designed as a permanent magnet, which can be positioned parallel to the row arrangement of the sensors and in their vicinity.
  • the permanent magnet is relatively displaceable along the sensors, the bipolar output signal of each magnetoresistive sensor being available, regardless of whether the sensors are arranged in a fixed position and the permanent magnet is moving or whether the permanent magnet is in a fixed position and the sensors are moving.
  • the high measuring accuracy is achieved in a manner known per se in that the sensors are each operated in the saturation mode and measure the directional angle of the detected magnetic field of the permanent magnet (US Pat. No. 5,589,769).
  • the position transmitter for detecting a rotary movement within the scope of the generic positioner is almost identical to the position transmitter for detecting translatory movements. Since the actuator performs a rotational movement in connection with the permanent magnet, preferably a movement in the form of an arc of a circle, a number of sensors are provided in a manner known per se, which are arranged in an arrangement of an essentially circular arc within a plane perpendicular to an axis of rotation of the actuator.
  • the permanent magnet can be positioned in the plane or in a plane parallel to the plane of the sensors and parallel to the arrangement of the sensors and in the vicinity thereof, and it is relatively displaceable along the sensors.
  • the position transmitter with the magnetoresistive sensors is arranged in the vicinity of the permanent magnet and thus the actuator, the position transmitter may also be subject to the temperature influences prevailing on the actuator.
  • a temperature compensation circuit is arranged in the housing unit of the position transmitter.
  • the drive for the actuator is a pressure medium-operated drive
  • so-called electromagnetically operated pilot valves for pressure medium control are generally used to control this drive.
  • the controller unit or the housing unit of the position transmitter has at least one electrical connection for the pilot valve.
  • an advantageous embodiment provides that the housing unit of the position transmitter is positively and / or non-positively with one that receives the actuator and the permanent magnet Protective element is connected.
  • This connection is expediently produced, for example, by a so-called dovetail connection, the protective element, for example, having a dovetail-shaped tongue and the housing unit having a complementary dovetail-shaped groove.
  • FIG. 1 shows a part of the position transmitter in connection with a schematically indicated controller unit (left side) and a longitudinal section (right side) through the position transmitter in the area of the actuator in Connection to the permanent magnet, the actuator and magnet being surrounded by a protective element, and
  • Figure 2 shows a schematic representation of a positioner according to the invention for controlling the position of a valve rod of a globe valve.
  • a positioner 1 according to the invention comprises a controller unit 10 arranged in a housing 10.1 and a position transmitter ⁇ arranged in a housing unit 5.1, the controller unit 10 and position transmitter 5 being connected to one another via a first interface 8d and possibly a second interface 8e are. If the second interface 8e is implemented between the controller unit 10 and the position transmitter 5, the latter has at least one second electrical connection 8h * for controlling a pilot valve 9 (FIG. 2) which serves to control the pressure medium. If this second interface 8e is not there is at least one first electrical connection 8h on the housing 10.1 of the controller unit 10.
  • a number of magnetoresistive sensors 5.1a are arranged in a row in the housing unit 5.1 of the position transmitter 5.
  • the bipolar output signals of the sensors 5.1a can be obtained in series or in parallel.
  • the sensors can be wired to a multiplexer 6, as a result of which the data can be obtained in series. They are fed to an A / D converter 7, which is connected to a data memory 8a via a microprocessor 8 (FIG. 2).
  • Microprocessor 8 and data memory 8a as well as an internal control and display field 8b, a signal adaptation 8c, a terminal block 8f and a connection for a parameterization device 8g are located in the controller unit 10, which via the first interface 8d and possibly the second interface 8e with the Position transmitter 5 is connected.
  • the signal adaptation 8c an electrical supply to the first electrical connection 8h for the pilot valve 9 is ensured.
  • the second electrical connection 8h * in the position transmitter 5 is electrically supplied via the signal adaptation 8c.
  • a permanent magnet 4 is attached to an actuator 3, for example a valve rod, which can be positioned parallel to and in the vicinity of the row arrangement of sensors 5.1a.
  • the permanent magnet 4 is relatively displaceable in the direction of the longitudinal axis 3a of the actuator 3 along the sensors 5.1a.
  • the actuator 3 is located in connection with the permanent magnet 4 in a protective element 2, which in the present case is designed as a chamber housing.
  • pressure medium D preferably compressed air
  • the sensors 5.1a are operated in the so-called saturation mode, they measure the directional angle of the detected magnetic field of the permanent magnet 4 and they are at least cast in connection with the necessary evaluation electronics 6, 7 in the one-piece housing unit 5.1.
  • the protective element 2 has a dovetail-shaped spring, not shown, which is preferably oriented in the longitudinal axis 3a of the actuator 3 and which engages in a form-fitting and / or non-positive manner in a complementary dovetail-shaped groove, likewise not shown, within the housing unit 5.1.
  • This provides a fast and secure connection between the protective element 2 and the position transmitter 5. If the actuator 3 is exposed and there is no covering by the protective element 2, the positive and / or non-positive connection described above is carried out between the position transmitter 5 and a stationary housing element which guides the actuator 3 and is not shown in the exemplary embodiment.
  • the positioner 1 is shown in FIG. 2 when applied to a lift valve 100, which accommodates a valve disk 101 between a first and a second valve housing 100a or 100b.
  • the valve plate 101 is actuated via a valve rod 101a, which is connected to the actuator 3 already mentioned above, to which the permanent magnet 4 is attached.
  • the valve disk 101 interacts with a seat surface 102 via a seat seal 106; it controls a connection bore, not designated, between the first and second valve housings 100a and 100b and it has a first fixed valve position, the closed position shown, and a second fixed valve position, the open position.
  • a so-called full stroke H of the valve disk 101 is formed between these two fixed valve positions, the end positions.
  • a piston 105a connected to the valve plate 101 via the valve rod 101a with the pressure medium D is executed in the drive 105 via a first pressure medium connection 103 either from outside the drive 105 or via the bore 3b from the inside thereof as a chamber housing Protection element 2 above the mag neten 4 applied (see Figure 2).
  • the defined end position limitation of the valve plate 101 takes place via a metallic system on the assigned seat surface 102.
  • the latter forms a fixed first position limitation A1 (first metallic stop).
  • the open position of the valve plate 101, the second end position and thus the second fixed valve position is realized, for example, as shown schematically in FIG.
  • the possible switching movements of the lift valve 100 described above represent the maximum possible range of movement that the positioner 1 according to the invention has to manage in translation. It is now the task of the positioner 1 described to approach any given desired positions between the closed and the open position of the globe valve 100 with the greatest possible accuracy. It is the task of the controller unit 10 to detect the respective actual position of the actuator 3 via the position transmitter 5 and to compare it with the predetermined target position and, if necessary, to generate an actuating signal.
  • valve plate 101 onto its seat surface 102 in the non-activated state by means of an additional force.
  • pressure medium D is applied to the piston 105a on the rear side via a second pressure medium connection 104.
  • the pilot valve 9 is provided for loading the pressure medium connections 103 and 104.
  • the second pressure medium connection 104 is activated via a so-called NOT element 11, which is activated when necessary and whenever there is no activation of the piston 105a via the first pressure medium connection 103.
  • Z is a pressure medium supply and A is a pressure medium discharge.
  • the position transmitter 5 comprises, as already described above, in the housing unit 5.1 a number of magnetoresistive sensors 5.1a which are arranged in a row arrangement, the permanent magnet 4 being able to be positioned parallel to this row arrangement of the sensors 5.1a and in their vicinity and relatively along the sensors 5.1a is movable.
  • the magnetoresistive sensors 5.1a are, for example, so-called. Hall sensors which emit a bipolar output signal when the permanent magnet 4 approaches, runs past and moves away from each sensor 5.1a.
  • the evaluation of the magnetic field of the permanent magnet 4 passing through the sensors 5.1a for the purpose of detecting the position of the actuator 3 is described in US Pat. No. 5,589,769.
  • the magnetoresistive sensors 5.1a are preferably arranged in the form of an arc of a circle.
  • the permanent magnet 4 fastened to the actuator 3 can be positioned and moved in relation to the sensors 5.1a, analogously to the position transmitter 5 described above and working in a translatory manner, and the output signals of the sensors 5.1a (field transducers) which can thereby be obtained can be evaluated and interpreted accordingly, so that an angular path (angular position and / or angular distance) of the actuator 3 can be detected.
  • a temperature compensation circuit is arranged in the housing unit 5.1 of the position transmitter 5 for temperature compensation.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler, insbesondere für eine translatorische oder rotative Bewegung, wobei als Stellungsgeber ein mit einem Stellglied verbundener Magnet und wenigstens ein magnetoresistiver Sensor vorgesehen sind. Die Erfindung stellt sicher, dass der Stellungsgeber eine hohe Messgenauigkeit aufweist und dabei äusserst robust und gegen jegliche Umwelteinflüsse geschützt ausgeführt ist. Dies wird bei einem Stellungsregler (1), insbesondere für eine translatorische Bewegung, dadurch erreicht, dass der Stellungsgeber (5) eine Anzahl Sensoren (5.1a) aufweist, die in einer Reihenanordnung angeordnet sind, dass der als Permanentmagnet ausgebildete und mit dem Stellglied (3) verbundene Magnet (4) parallel zur Reihenanordnung der Sensoren (5.la) und in deren Nachbarschaft positionierbar ist, dass der Permanentmagnet (4) entlang der Sensoren (5.1 a) relativ verschiebbar ist, dass die Sensoren (5.1 a) im Sättigungsmodus betrieben werden und den Richtungswinkel des detektierten Magnetfeldes des Permanentmagneten (4) messen und dass die Sensoren (5.1a) wenigstens in Verbindung mit einer notwendigen Auswerteelektronik (6, 7) in einer einstückig ausgeführten Gehäuseeinheit (5.1) eingegossen sind (Figur 1).

Description

Steilungsregler, insbesondere für eine translatorische oder rotative Bewegung
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler, insbesondere für eine translatorische oder eine rotative Bewegung, mit einem Stellungsgeber zur Erfassung der Ist- Position eines Stellgliedes und mit einer Reglereinheit zum Vergleich der Ist- Postion mit einer vorgebbaren Soll-Position und zur Erzeugung eines Stellsignals, wobei als Stellungsgeber ein mit dem Stellglied verbundener Magnet und wenigstens ein magnetoresistiver Sensor vorgesehen sind, welche korrespondierend zu einer Bewegung des Stellgliedes relativ zueinander verschiebbar sind und die Reglereinheit in einem zweiten, von einer Gehäuseeinheit des Stellungsgebers getrennten Gehäuse angeordnet ist.
STAND DER TECHNIK
Ein Stellungsregler, insbesondere für ein durch einen Antrieb betätigbares Hub- ventil, mit eigensicherem Aufbau der gattungsgemäßen Art ist aus der Druckschrift WO 01/88423 A1 bekannt. Dieser Stellungsregler besitzt einen Positionsgeber (oder auch Stellungsgeber genannt), bei dem ein Magnet und ein magnetoresistiver Sensor vorgesehen sind, welche korrespondierend zu einer Bewegung des Stellglieds relativ zueinander dreh- oder verschiebbar sind, bei dem die Reg- lereinheit in einem zweiten, vom Gehäuse des Positionsgebers getrennten, druckfest gekapselten Gehäuse angeordnet ist, und bei dem die Schnittstelle der Reglereinheit zum Positionsgeber sowie der Positionsgeber selbst elektrisch eigensicher aufgebaut sind.
Der bekannte Stellungsregler ist insbesondere für Bereiche geeignet, in denen die Atmosphäre zu einem explosionsfähigen Gasgemisch werden kann. Hier muss durch geeignete Maßnahmen sichergestellt sein, dass in jedem möglichen Betriebszustand von dem Stellungsregler keine Gefahr ausgeht. Dazu muss entweder die Entstehung eines Zündfunkens durch geeignete Maßnahmen ausge- schlössen sein oder die Entzündung der Atmosphäre in der Umgebung des Stellungsreglers muss sicher verhindert werden. Bei der bekannten Anordnung sind der Positionsgeber und die Reglereinheit getrennt voneinander jeweils in einem eigenen Gehäuse angeordnet. Während der Positionsgeber zwangsläufig auf- grund der notwendigen Nähe zwischen magnetoresistivem Sensor und Magnet in der Nähe des Stellgliedes angeordnet werden muss, da das Stellglied den Magneten trägt, kann die Reglereinheit in mehr oder weniger großer Entfernung von dem Positionsgeber angeordnet sein. Das Gehäuse des Positionsgebers ist mehrstückig ausgeführt und aus einer Vielzahl von Einzelteilen zusammenge- setzt.
In einer rauhen Umgebung mit vielfältigen Umwelteinflüssen, wie sie beispielsweise in der Chemie oder der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie auftreten, müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit der magnetoresistive Sensor sowie die notwendige Auswerteelektronik keine Beeinträchtigung erfahren oder gar Schaden nehmen. Darüber hinaus ist bei dem bekannten Positionsgeber im Rahmen des beschriebenen Stellungsreglers nicht erkennbar, wie beispielsweise mit einem einzigen magnetoresistiven Sensor eine hohe Messgenauigkeit zum Delektieren einer exakten Positionierung erreicht werden kann.
Eine Positionsdetektionsvorrichtung mit magnetoresistiven Sensoren, die eine hohe Messgenauigkeit im Hinblick auf das präzise Detektieren von Positionen und Distanzen aufweist, ist aus der Druckschrift US 5,589,769 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung dient zur Bestimmung einer Position eines Elementes, das beispielsweise entlang einer Längsachse translatorisch oder einer kreisbo- genabschnittsförmigen Linie rotativ beweglich ist. Ausweislich der zitierten Druckschrift ist an dem Element ein Magnet befestigt. Weiterhin ist eine Anordnung von mehreren Magnetfeldwandlem vorgesehen, die in einer Anordnung parallel und in Nachbarschaft zu der durch das Element definierten Wegstrecke angeordnet sind, wobei jeder dieser vorzugsweise magnetoresistiven Feldwandler ein bipolares Ausgangssignal vorgibt, wenn sich der Magnet nähert, vorbeiläuft und sich von jedem Feldwandler wegbewegt. Die Anordnung von Feldwandlern gibt eine Vielzahl von Ausgangssignalwerten für eine Position des Magneten vor, die zur Bestimmung dieser Position und damit des Elementes, an dem der Magnet befestigt ist, herangezogen werden. Bei den Magnetfeldwandlern handelt es sich beispielsweise um Hallsensoren, die bei Änderung des Magnetfeldes eine dieser Änderung proportionale Spannungsänderung erzeugen.
In der US 6,097,183 wird die aus der US 5,589,769 bekannte Positionsdetekti- onsvorrichtung hinsichtlich der Korrektur von Signalen aus nicht linearen Sensorregionen verbessert und in der US 6,509,732 wird mit Bezug auf die gleiche Posi- tionsdetektionsvorrichtung eine verbesserte Methode zur Ermittlung der Position eines linear bewegten Aktuators angegeben.
Durch die in den vorg. Druckschriften beschriebenen Positionsdetektionsvorrich- tungen ist es möglich, beispielsweise ein der Ventilstößelbewegung eines Hub- ventils proportionales elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, welches in einer Ventilsteuerung zur Positionserkennung nach Maßgabe beispielsweise der US 5,704,586 ausgewertet werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stellungsregler mit einem Stel- lungsgeber der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem der Stellungsgeber eine hohe Messgenauigkeit aufweist und dabei äußerst robust und gegen jegliche Umwelteinflüsse geschützt ausgeführt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird für eine translatorische Bewegung durch die Merkmale im Nebenanspruch 1 und für eine rotative Bewegung durch die Merkmale im Nebenanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Stellungsreglers gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zum Zwecke der Regelung translatorischer Bewegungen weist der Stellungsgeber des Stellungsreglers in ansich bekannter Weise eine Anzahl magnetoresisti- ver Sensoren auf, die in einer Reihenanordnung angeordnet sind. Das Stellglied ist mit einem als Permanentmagnet ausgebildeten Magneten versehen, welcher parallel zur Reihenanordnung der Sensoren und in deren Nachbarschaft positionierbar ist. Dabei ist der Permanentmagnet entlang der Sensoren relativ ver- schiebbar, wobei das bipolare Ausgangssignal eines jeden magnetoresistiven Sensors zur Verfügung steht, gleichgültig ob die Sensoren ortsfest angeordnet sind und der Permanentmagnet sich bewegt oder ob der Permanentmagnet ortsfest positioniert ist und die Sensoren sich bewegen. Die hohe Messgenauigkeit wird in ansich bekannter Weise dadurch erreicht, dass die Sensoren jeweils im Sättigungsmodus betrieben werden und den Richtungswinkel des detektierten Magnetfeldes des Permanentmagneten messen (US 5,589,769).
Die äußerste Robustheit und Unempfindlichkeit des Stellungsgebers gegen jedwede Umwelteinflüsse wird dadurch sichergestellt, dass sämtliche Sensoren we- nigstens in Verbindung mit der notwendigen Auswerteelektronik in der einstückig ausgeführten Gehäuseeinheit eingegossen sind.
Der Stellungsgeber zur Erfassung einer rotativen Bewegung im Rahmen des gattungsgemäßen Stellungsreglers ist nahezu identisch zum Stellungsgeber für die Erfassung translatorischer Bewegungen ausgeführt. Da das Stellglied in Verbindung mit dem Permanentmagneten eine Drehbewegung ausführt, vorzugsweise eine kreisbogenabschnittsförmige Bewegung, ist in ansich bekannter Weise eine Anzahl Sensoren vorgesehen, die in einer im Wesentlichen kreisbogenabschnitts- förmigen Anordnung innerhalb einer zu einer Drehachse des Stellgliedes senk- recht orientierten Ebene angeordnet. Der Permanentmagnet ist in der Ebene oder in einer zur Ebene der Sensoren parallelen Ebene und parallel zur Anordnung der Sensoren und in deren Nachbarschaft positionierbar und er ist entlang der Sensoren relativ verschiebbar.
Da der Stellungsgeber mit den magnetoresistiven Sensoren in Nachbarschaft zum Permanentmagneten und damit zum Stellglied angeordnet ist, unterliegt der Stellungsgeber ggf. auch den am Stellglied vorherrschenden Temperatureinflüssen. Um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Messgenauigkeit und die Auswerteelektronik des Stellungsgebers zu kompensieren, ist in der Gehäuseeinheit des Stellungsgebers eine Temperaturkompensationsschaltung angeordnet.
Falls es sich bei dem Antrieb für das Stellglied um einen druckmittelbetriebenen Antrieb handelt, werden zur Ansteuerung dieses Antriebs in der Regel sog. elektromagnetisch betätigte Pilotventile zur Druckmittelsteuerung eingesetzt. Abhängig von der Lage dieser Pilotventile in Bezug auf den Antrieb und damit das Stellglied kann es von Vorteil sein, wenn entweder die Reglereinheit oder aber die Gehäu- seeinheit des Stellungsgebers wenigstens einen elektrischen Anschluss für das Pilotventil aufweist.
Um den Stellungsgeber auf sehr einfache Weise in der notwendigen Anordnung in Bezug auf das Stellglied und damit den Permanentmagneten zu positionieren und fixieren, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die Gehäuseeinheit des Stellungsgebers form- und/oder kraftschlüssig mit einem das Stellglied und den Permanentmagneten aufnehmenden Schutzelement verbunden ist. Diese Verbindung wird zweckmäßigerweise beispielsweise durch eine sog. Schwalbenschwanzverbindung hergestellt, wobei beispielsweise das Schutzelement eine schwalbenschwanzförmige Feder und die Gehäuseeinheit eine komplementäre schwalbenschwanzförmige Nut besitzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Stellungsreglers gemäß der Erfindung ist in den Figuren der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
Figur 1 einen Teil des Stellungsgebers in Verbindung mit einer schematisch angedeuteten Reglereinheit (linksseitig) und einen Längsschnitt (rechtsseitig) durch den Stellungsgeber im Bereich des Stellgliedes in Verbindung mit dem Permanentmagneten, wobei Stellglied und Magnet von einem Schutzelement umgeben sind, und
Figur 2 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Stellungsreg- ler zur Regelung der Stellung einer Ventilstange eines Hubventils.
BEZUGSZEICHENLISTE DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGEN 1 Stellungsregler 2 Schutzelement 2a Zufuhrkanal 3 Stellglied/Ventilstange 3a Längsachse 3b Bohrung 4 Magnet (Permanentmagnet) 5 Stellungsgeber 5.1 Gehäuseeinheit 5.1 a magnetoresistiver Sensor 6 Multiplexer 7 A/D-Wandler 8 Mikroprozessor 8a Datenspeicher 8b internes Bedien- und Anzeigefeld 8c Signalanpassung 8d erste Schnittstelle 8e zweite Schnittstelle 8f Klemmleiste 8g Anschluss für Parametrierungsgerät 8h erster elektrischer Anschluss für ein Pilotventil 8h* zweiter elektrischer Anschluss für ein Pilotventil 9 Pilotventil 10 Reglereinheit 10.1 Gehäuse 11 NICHT-Element (Zusatzkraft, schließend: Antrieb) 12 Leuchtmelder 100 Hubventil 100a erstes Ventilgehäuse 100b zweites Ventilgehäuse 101 Ventilteller 101a Ventilstange 102 Sitzfläche 103 erster Druckmittelanschluss 104 zweiter Druckmittelanschluss 105 Antrieb 105a Kolben 106 Sitzdichtung A Druckmittel-Abfuhr A1 erste Stellungsbegrenzung A2 zweite Stellungsbegrenzung D Druckmittel H Vollhub Z Druckmittel-Zufuhr
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Stellungsregler 1 gemäß der Erfindung (Figur 1) umfasst eine in einem Ge- häuse 10.1 angeordnete Reglereinheit 10 sowie einen in einer Gehäuseeinheit 5.1 angeordneten Stellungsgeberδ, wobei Reglereinheit 10 und Stellungsgeber 5 über eine erste Schnittstelle 8d und ggf. eine zweite Schnittstelle 8e miteinander verbunden sind. Falls die zweite Schnittstelle 8e zwischen der Reglereinheit 10 und dem Stellungsgeber 5 ausgeführt ist, verfügt letzterer über wenigstens einen zweiten elektrischen Anschluss 8h* zur Ansteuerung eines der Druckmittelsteuerung dienenden Pilotventils 9 (Figur 2). Falls diese zweite Schnittstelle 8e nicht ausgeführt ist, befindet sich wenigstens ein erster elektrischer Anschluss 8h am Gehäuse 10.1 der Reglereinheit 10.
In der Gehäuseeinheit 5.1 des Stellungsgebers 5 ist eine Anzahl magnetoresisti- ver Sensoren 5.1a in Reihenanordnung angeordnet. Die bipolaren Ausgangssignale der Sensoren 5.1a können seriell oder parallel gewonnen werden. Um den Leistungsverbrauch auf ein Minimum zu bringen, können die Sensoren mit einem Multiplexer 6 verdrahtet sein, wodurch die Daten seriell zu erhalten sind. Sie werden einem A/D-Wandler 7 zugeführt, der über einen Mikroprozessor 8 (Figur 2) mit einem Datenspeicher 8a verbunden ist. Mikroprozessor 8 und Datenspeicher 8a sowie ein internes Bedien- und Anzeigefeld 8b, eine Signalanpassung 8c, eine Klemmenleiste 8f und ein Anschluss für ein Parametrierungsgerät 8g befinden sich in der Reglereinheit 10, die über die erste Schnittstelle 8d und ggf. die zweite Schnittstelle 8e mit dem Stellungsgeber 5 verbunden ist. Ausgehend von der Sig- nalanpassung 8c ist eine elektrische Versorgung des ersten elektrischen Anschlusses 8h für das Pilotventil 9 sichergestellt. Falls die zweite Schnittstelle 8e ausgeführt ist, erfolgt eine elektrische Versorgung des zweiten elektrischen Anschlusses 8h* im Stellungsgeber 5 über die Signalanpassung 8c. Vorzugsweise mehr als ein Leuchtmelder 12 signalisieren optisch verschiedene mögliche Be- triebszustände des Stellungsreglers 1.
An einem Stellglied 3, beispielsweise einer Ventilstange, ist ein als Permanentmagnet ausgebildeter Magnet 4 befestigt, der parallel zur Reihenanordnung der Sensoren 5.1a und in deren Nachbarschaft positionierbar ist. Der Permanent- magnet 4 ist in Richtung der Längsachse 3a des Stellgliedes 3 entlang der Sensoren 5.1a relativ verschiebbar. Dabei befinden sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Stellglied 3 in Verbindung mit dem Permanentmagneten 4 in einem Schutzelement 2, das im vorliegenden Falle als Kammergehäuse ausgeführt ist. Über einen Zufuhrkanal 2a in der Wandung des Kammergehäuses 2 kann beispielsweise oberhalb des Permanentmagneten 4 Druckmittel D, vorzugsweise Druckluft, zugeführt werden, die dann über eine in dem Stellglied 3 vorzugsweise zentrisch angeordnete Bohrung 3b einem Antrieb 105 (Figur 2) zuge- führt wird. Die Sensoren 5.1a werden im sog. Sättigungsmodus betrieben, sie messen den Richtungswinkel des detektierten Magnetfeldes des Permanentmagneten 4 und sie sind wenigstens in Verbindung mit der notwendigen Auswerteelektronik 6, 7 in der einstückig ausgeführten Gehäuseeinheit 5.1 eingegossen.
Das Schutzelement 2 verfügt über eine nicht dargestellte, vorzugsweise in der Längsachse 3a des Stellgliedes 3 orientierte schwalbenschwanzförmige Feder, die form- und/oder kraftschlüssig in eine gleichfalls nicht dargestellte komplementäre schwalbenschwanzförmige Nut innerhalb der Gehäuseeinheit 5.1 eingreift. Damit ist eine schnelle und sichere Verbindung zwischen dem Schutzelement 2 und dem Stellungsgeber 5 gegeben. Falls das Stellglied 3 freiliegt und eine Umhüllung durch das Schutzelement 2 nicht gegeben ist, wird die vorstehend beschriebene form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Stellungsgeber 5 und einem ortsfesten, das Stellglied 3 führenden, im Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Gehäuseelement ausgeführt.
Der erfindungsgemäße Stellungsregler 1 ist in Figur 2 in Anwendung auf ein Hubventil 100 dargestellt, das zwischen einem ersten und einem zweiten Ventilgehäuse 100a bzw. 100b einen Ventilteller 101 aufnimmt. Der Ventilteller 101 er- fährt seine Betätigung über eine Ventilstange 101a, die mit dem vorstehend bereits erwähnten Stellglied 3, an dem der Permanentmagnet 4 befestigt ist, verbunden ist. Der Ventilteller 101 wirkt über eine Sitzdichtung 106 mit einer Sitzfläche 102 zusammen; er steuert eine nicht bezeichnete Verbindungsbohrung zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilgehäuse 100a bzw. 100b und er verfügt über eine erste feste Ventilstellung, die dargestellte Schließstellung, und eine zweite feste Ventilstellung, die Offenstellung. Zwischen diesen beiden festen Ventilstellungen, den Endstellungen, wird ein sog. Vollhub H des Ventiltellers 101 ausgebildet. Zur Realisierung dieses Vollhubes H wird in dem Antrieb 105 ein über die Ventilstange 101a mit dem Ventilteller 101 verbundener Kolben 105a mit dem Druckmittel D über einen ersten Druckmittelanschluss 103 entweder von außerhalb des Antriebs 105 oder über die Bohrung 3b von innerhalb desselben aus dem als Kammergehäuse ausgeführten Schutzelement 2 oberhalb des Mag- neten 4 beaufschlagt (siehe Figur 2). Die definierte Endlagenbegrenzung des Ventiltellers 101 erfolgt über eine metallische Anlage auf der zugeordneten Sitzfläche 102. Letztere bildet eine feste erste Stellungsbegrenzung A1 (erster metallischer Anschlag). Die Offenstellung des Ventiltellers 101, die zweite Endstellung und damit die zweite feste Ventilstellung, wird beispielsweise, wie dies in Figur 2 schematisch dargestellt ist, durch Anlage des Kolbens 105a an einer zweiten Stellungsbegrenzung A2 (zweiter metallischer Anschlag) realisiert.
Die vorstehend beschriebenen möglichen Schaltbewegungen des Hubventils 100 stellen den maximal möglichen Bewegungsspielraum dar, den der erfindungsgemäße Stellungsregler 1 translatorisch bewältigen muss. Aufgabe des beschriebenen Stellungsreglers 1 ist es nun, zwischen der Schließ- und der Offenstellung des Hubventils 100 beliebige vorgegebene Soll-Positionen möglichst mit hoher Genauigkeit anzufahren. Aufgabe der Reglereinheit 10 ist es, über den Stellungs- geber 5 die jeweilige Ist-Position des Stellgliedes 3 zu erfassen und mit der vorgegebenen Soll-Position zu vergleichen und ggf. ein Stellsignal zu erzeugen.
Darüber hinaus ist weiterhin vorgesehen, den Ventilteller 101 im nicht angesteuerten Zustand mittels einer Zusatzkraft auf seine Sitzfläche 102 zu pressen. Hier- zu wird über einen zweiten Druckmittelanschluss 104 der Kolben 105a auf der rückwärtigen Seite mit Druckmittel D beaufschlagt.
Zur Beschickung der Druckmittelanschlüsse 103 und 104 ist das Pilotventil 9 vorgesehen. Die Ansteuerung des zweiten Druckmittelanschlusses 104 erfolgt über ein sog. NICHT-Element 11 , das im Bedarfsfall und immer dann, wenn keine Ansteuerung des Kolbens 105a über den ersten Druckmittelanschluss 103 vorliegt, eine Ansteuerung erfährt. Mit Z ist eine Druckmittelzufuhr und mit A ist eine Druckmittelabfuhr bezeichnet.
Die zum Ventilteller 101 führende Ventilstange 101a setzt sich oberhalb des Kolbens 105a in dem Stellglied 3 fort, das an den Stellungsgeber 5 herangeführt ist und dort an seinem Ende den Permanentmagneten 4 trägt. Der Stellungsgeber 5 umfasst wie vorstehend bereits dargestellt, in der Gehäuseeinheit 5.1 eine Anzahl magnetoresistiver Sensoren 5.1a, die in einer Reihenanordnung angeordnet sind, wobei der Permanentmagnet 4 parallel zu dieser Reihenanordnung der Sensoren 5.1a und in deren Nachbarschaft positionierbar und entlang der Senso- ren 5.1a relativ verschiebbar ist. Bei den magnetoresistiven Sensoren 5.1a handelt es sich beispielsweise um sog. Hallsensoren, die ein bipolares Ausgangssignal vorgeben, wenn sich der Permanentmagnet 4 nähert, vorbeiläuft und sich von jedem Sensor 5.1a wegbewegt. Die Auswertung des die Sensoren 5.1a durchsetzenden magnetischen Feldes des Permanentmagneten 4 zum Zwecke der Positi- onserfassung des Stellgliedes 3 ist in der Druckschrift US 5,589,769 beschrieben.
Bei einem rotativ bewegten Stellglied 3 sind die magnetoresistiven Sensoren 5.1a vorzugsweise kreisbogenabschnittsförmig angeordnet. Der am Stellglied 3 befestigte Permanentmagnet 4 ist, sinngemäß zum vorstehend beschriebenen und translatorisch arbeitenden Stellungsgeber 5, in Bezug auf die Sensoren 5.1a positionier- und verfahrbar und die dadurch gewinnbaren Ausgangssignale der Sensoren 5.1a (Feldwandler) sind entsprechend auswert- und interpretierbar, sodass ein Winkelweg (Winkelposition und/oder Winkeldistanz) des Stellgliedes 3 detek- tiert werden kann.
In der Gehäuseeinheit 5.1 des Stellungsgebers 5 ist zur Temperaturkompensation eine nicht dargestellte und bezeichnete Temperaturkompensationsschaltung angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Stellungsregler, insbesondere für eine translatorische Bewegung, mit einem Stellungsgeber (5) zur Erfassung der Ist-Position eines Stellgliedes (3) und mit einer Reglereinheit (10) zum Vergleich der Ist-Postion mit einer vorgebbaren Soll-Position und zur Erzeugung eines Stellsignals, wobei als Stel- lungsgeber (5) ein mit dem Stellglied (3) verbundener Magnet (4) und wenigstens ein magnetoresistiver Sensor (5.1a) vorgesehen sind, welche korrespondierend zu einer Bewegung des Stellgliedes (3) relativ zueinander verschiebbar sind und die Reglereinheit (10) in einem zweiten, von einer Gehäuseeinheit (5.1) des Stellungsgebers (5) getrennten Gehäuse (10.1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, • dass der Stellungsgeber (5) eine Anzahl Sensoren (5.1 a) aufweist, die in einer Reihenanordnung angeordnet sind, • dass der als Permanentmagnet ausgebildete Magnet (4) parallel zur Reihenanordnung der Sensoren (5.1a) und in deren Nachbarschaft positionierbar ist, • dass der Permanentmagnet (4) entlang der Sensoren (5.1 a) relativ verschiebbar ist, • dass die Sensoren (5.1a) im Sättigungsmodus betrieben werden und den Richtungswinkel des detektierten Magnetfeldes des Permanentmagneten (4) messen und • dass die Sensoren (5.1a) wenigstens in Verbindung mit ei ner notwendigen Auswerteelektronik (6, 7) in der einstückig ausgeführten Gehäuseeinheit (5.1) eingegossen sind.
2. Stellungsregler, insbesondere für eine rotative Bewegung, mit einem Stellungsgeber (5) zur Erfassung der Ist-Postition eines Stellgliedes (3) und mit einer Reglereinheit (10) zum Vergleich der Ist-Postion mit einer vorgebbaren Soll-Position und zur Erzeugung eines Stellsignals, wobei als Stellungsgeber (5) ein mit dem Stellglied (3) verbundener Magnet (4) und wenigstens ein magnetoresistiver Sensor (5.1a) vorgesehen sind, welche korrespondierend zu einer Bewegung des Stellgliedes (3) relativ zueinander verschiebbar sind und die Reglereinheit (10) in einem zweiten, von einer Gehäuseeinheit (5.1) des Stellungsgebers (5) getrennten Gehäuse (10.1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, • dass der Stellungsgeber (5) eine Anzahl Sensoren (5.1a) aufweist, die in einer im Wesentlichen kreisbogenabschnittsförmigen Anordnung innerhalb einer zu einer Drehachse des Stellgliedes (3) senkrecht orientierten Ebene angeordnet sind, • dass der als Permanentmagnet ausgebildete Magnet (4) in der Ebene oder in einer zur Ebene der Sensoren (5.1 a) parallelen Ebene und parallel zur Anordnung der Sensoren (5.1a) und in deren Nachbarschaft positionierbar ist, • dass der Permanentmagnet (4) entlang der Sensoren (5.1 a) relativ verschiebbar ist, • dass die Sensoren (5.1a) im Sättigungsmodus betrieben werden und den Richtungswinkel des detektierten Magnetfeldes des Permanentmagneten (4) messen und • dass die Sensoren (5.1a) wenigstens in Verbindung mit einer notwendigen Auswerteelektronik (6, 7) in der einstückig ausgeführten Gehäuseeinheit (5.1) eingegossen sind.
3. Stellungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gehäuseeinheit (5.1) eine Temperaturkompensationsschaltung angeordnet ist.
4. Stellungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglereinheit (10) wenigstens einen ersten elektrischen Anschluss (8h) für ein Pilotventil (9) zur Druckmittelansteuerung aufweist.
5. Stellungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseeinheit (5.1) wenigstens einen zweiten elektrischen Anschluss (8h*) für ein Pilotventil (9) zur Druckmittelansteuerung aufweist.
6. Stellungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseeinheit (5.1) form- und/oder kraftschlüssig mit einem das Stellglied (3) und den Permanentmagneten (4) aufnehmenden Schutzelement (2) verbunden ist.
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