WO2020094885A1 - Magnetventil, steuerungselektronik für ein magnetventil und verfahren zum steuern eines magnetventils - Google Patents

Magnetventil, steuerungselektronik für ein magnetventil und verfahren zum steuern eines magnetventils Download PDF

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Stefan Kolbenschlag
Thomas Wetzel
Leonard YOUSIF
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Samson Aktiengesellschaft
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    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the present invention relates to a solenoid valve, in particular for an electropneumatic drive, which is used in particular in a process plant, for example a chemical or petrochemical plant, a food processing plant, a nuclear power plant or other process plant.
  • the pneumatic actuator can be used, for example, to actuate a control valve, such as a control valve.
  • the invention relates to control electronics for controlling a solenoid valve and a method for controlling the solenoid valve.
  • Such a solenoid valve can be provided with a sensor for determining an armature position in such a solenoid valve. Furthermore, the invention relates to a method for controlling the solenoid valve and a positioner, in particular an electropneumatic positioner, which can operate according to the mode of operation of the control method according to the invention and / or comprises a solenoid valve according to the invention.
  • a positioner can be coupled to a pneumatic drive that actuates a field device of the process engineering system, such as a control valve or an emergency shutdown valve.
  • Solenoid valves are usually operated by an electromagnet.
  • the generic solenoid valve has, in particular, an annular magnet coil, the inductances of which generate a magnetic field that preferably allows an armature of the solenoid valve to be displaced in a translatory actuating movement. It is known that the armature of the solenoid valve is electrically retracted into a retracted one Position moves while the armature is moved into an extended position in the absence of a magnetic field. Depending on the position of the armature, the solenoid valve opens or closes.
  • the coil is usually wound around a central section or magnetic core of a so-called magnetic yoke of the solenoid valve.
  • the movable armature is usually ferromagnetic and is attracted to the magnetic field generated by the coil and amplified by the magnetic core.
  • the magnetic field formed between the armature and the core exerts a force which depends in particular on the air gap formed between the armature and the magnetic core. The smaller the distance between the magnetic core and the armature, the stronger the magnetic force.
  • the solenoid valve is usually provided with a valve seat which cooperates with a valve member coupled to the armature in such a way that it opens and or at least partially seals channels or paths in the valve housing in one or more positions of the valve member.
  • a solenoid valve with a magnetic sensor for measuring a magnetic flux and thus for calculating and regulating the forces acting on the armature is known from DE io 2015 116 464 Ai.
  • the solenoid valve has a magnetic field sensor, in particular a Hall sensor, for measuring the magnetic flux density, which is arranged between the armature and the magnetic core in an air gap.
  • the air gap is formed in the interior of the magnetic yoke, radially on the inside with respect to the ring coil of the solenoid valve, which is received in the magnetic yoke.
  • a hollow cylindrical web is used to partially cover the air gap and forms part of an outer section of the magnetic return path of the solenoid valve.
  • the solenoid valve described above requires a special and complex housing or yoke structure, in particular around the web, which engages in an annular cylindrical cavity in order to form an adequate measuring air gap.
  • a single, in particular maximum, electrical power is required for energizing the coil.
  • the magnetic armature is set into motion after overcoming a static friction static friction and kept in the switched state when current is present (peak current, pull-in current). This maximum power is always requested, although it is not necessary to hold the magnet armature.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art, in particular to provide a solenoid valve which is operated in an energy-efficient manner and in particular reliably detects a malposition of the solenoid valve without having to change the basic structure of the solenoid valve.
  • a solenoid valve is proposed in particular for an electropneumatic drive, which is used in particular in a process engineering system.
  • the solenoid valve according to the invention has in particular the function of a direct acting solenoid valve.
  • the solenoid valve is operated by an electromagnet. By applying an electrical voltage, a coil is energized and generates a magnetic field that attracts an armature attached to a valve stem, so that the valve opens or closes.
  • the valve seat is in particular designed such that it switches and seals corresponding channels in the valve housing in both end positions.
  • the magnetic valve according to the invention comprises a magnetic coil, in particular a ring-shaped magnetic coil, and a magnetic yoke receiving a magnetic coil, on the inside of which an armature is movably arranged, in particular mounted, and the outside of which at least partially surrounds the magnetic coil and / or which Magnetic coil at least partially enclosed.
  • the inference limits an in particular cylindrical cavity in which an armature, for example like a piston, can be moved back and forth along a linear adjusting movement.
  • the conclusion can also be called a magnetic yoke.
  • the coil can also be referred to as a winding or inductance.
  • the magnetic valve according to the invention also has a magnetic field sensor, in particular a Hall sensor, a Hall switch sensor or a reed contact, for detecting, in particular measuring, the magnetic flux density.
  • a profile jump such as a profile recess, for example a groove, is formed on the outside of the magnetic yoke, the magnetic field sensor being arranged in the region of the profile jump.
  • the profile jump forms in particular a weakening of the magnetizable material of the magnetic yoke, as a result of which the magnetic resistance of the magnetic circuit in the magnetic yoke is increased. In the specific energized state of the coil, field lines in the area of the profile jump can emerge from the inference.
  • the magnetic field sensor With a specific excitation current applied to the magnetic coil, this makes it possible, based on the magnetic field sensor placed in the area of the profile jump, to infer the dimension of the so-called working air gap between the armature and the magnetic yoke, in particular its central core section, which working air gap is in the course of the Operation of the solenoid valve enlarged and reduced.
  • the magnetic field sensor detects the magnetic flux in the area of the profile jump, in particular in the profile deepening, in order in particular to determine the position of the armature.
  • the sensor detects whether the armature is attracted or not when the voltage is applied. In the recess, the sensor thus detects the strength of the stray field through the slot air gap or changes the predefined initial state when a switching threshold is undershot / exceeded. In this way, the sensor can differentiate between the states "armature pulled up” and “armature dropped out” and output a corresponding electrical signal that is recorded by a control unit.
  • the profile jump is designed as a profile recess, such as a groove.
  • the profile recess is preferably formed in the otherwise otherwise uniform outside of the body of the magnetic yoke.
  • the outside of the magnetic yoke is an outside face, which lies flat and / or perpendicular to the direction of displacement of the armature, or a rotationally shaped, in particular cylindrical, surrounding outside, which in particular preferably completely surrounds the magnet coil.
  • the groove preferably comprises a radial or axial profile depth of less than 20 or 10 mm, in particular a profile depth of more than 50%, 60%, 70%, 80% of the wall thickness of the yoke towards the coil.
  • An air gap is preferably formed between the magnetic field sensor arranged in the profile recess and a wall of the profile recess.
  • the wall of the profile recess is defined in particular by wall areas, for example side walls or a bottom section of an in particular sac-shaped and / or circumferential recess on the outside of the magnetic yoke.
  • the profile recess is made in the form of a blind hole and / or circumferentially in the magnetic yoke, and / or a measuring point of the magnetic field sensor is arranged within the profile recess.
  • the profile recess preferably has a depth taken from an outer side, such as an end face or a cylindrical circumferential side, of the magnetic yoke, a dimension which is selected such that the structural extension of the magnetic field sensor and / or the optimal measuring point defined by the magnetic field sensor is completely within the profile recess is arranged.
  • the magnetic field sensor is preferably arranged in such a way that it, in particular its structural dimension, projects into the profile recess.
  • the magnetic field sensor is preferably designed to detect whether a predetermined magnetic field strength, such as a solenoid valve switching threshold (armature pulled up / armature dropped), is exceeded or undershot, in order, depending on the situation, to send a corresponding status signal, such as an overshoot signal or an undershoot signal, in particular to one
  • a predetermined magnetic field strength such as a solenoid valve switching threshold (armature pulled up / armature dropped)
  • armature pulled up / armature dropped armature pulled up / armature dropped
  • a corresponding status signal such as an overshoot signal or an undershoot signal
  • the control electronics can be, for example, a higher-level central control or a solenoid valve-specific micro-computing unit that is directly coupled to the magnetic field sensor.
  • the control electronics can form part of the structure of the solenoid valve.
  • the control electronics can comprise a printed circuit board to which electronic components and / or the magnetic field sensor is fastened, wherein in particular the longitudinal extension of the printed circuit board can be selected such that it can protrude beyond the outside of the magnetic yoke in the profile recess.
  • the magnetic field sensor is designed to determine the position of the armature, in particular along its translational travel path, using a magnetic flux in the area of the profile jump.
  • the magnetic field sensor can act as a position sensor that can communicate with a position control, such as a positioner.
  • the solenoid valve according to the invention has control electronics which is designed in particular in accordance with the control electronics according to the invention explained below and / or is designed to deliver a pull-in current or a holding current to the solenoid coil as excitation current, the pull-in current in particular being set in this way that the armature moves into the particularly retracted end position.
  • the control electronics are preferably designed to deliver a holding current to the magnetic coil as an excitation current as soon as the armature is in a particularly retracted end position, the holding current in particular being set such that it is lower than the pull-in current and / or the armature in particular retracted end position holds.
  • the inference is made of a magnetizable material, preferably a ferritic material.
  • the yoke has a circumferential receiving body for receiving the magnetic coil and a core which is substantially axially diametrically opposite the armature and which is formed along an axis of symmetry of the yoke or a translational movement axis of the armature and / or on which the armature is located in particular in one of the End positions of the solenoid valve supports or strikes.
  • the armature is connected to a core of the yoke via a spring element, the working air gap being formed between the armature and the core.
  • the size of the working air gap varies as the anchor moves in and out of the room.
  • the armature is forced into an extended position by the spring element.
  • the armature is in a retracted position when the magnetic field is applied.
  • the armature can be moved translationally along a longitudinal direction of the armature and / or along an axis of symmetry of the solenoid valve from the retracted position to the extended position.
  • the armature actuates a valve member (closure member) of a control valve.
  • the solenoid valve has control electronics which are designed to deliver a pull-in current or a holding current as excitation current to the solenoid coil, the pull-in current in particular being set such that the armature moves into the particularly retracted end position.
  • the control electronics can preferably be designed to deliver a holding current to the magnet coil as an excitation current as soon as the armature is in a particularly retracted end position, the holding current in particular being set such that it is lower than the pull-in current and / or the armature in the especially retracted end position.
  • the control electronics regulate the excitation current in such a way that the respectively required current is present on the coil to attract and to hold the armature securely. This can reduce the current consumption of the solenoid valve. Since a magnetic air gap has decreased in a first position after switching the valve and thereby also the magnetic resistance of the magnetic circuit, a reduced current or a reduced magnetic field is sufficient to hold the armature in the retracted position. The current is regulated to a lower holding current after a specified time, which reduces the power consumption. However, there is now a risk that due to external forces (e.g. impulse / acceleration in the form of a blow to the solenoid valve or through Pipeline vibrations) of the armature due to insufficient magnetic
  • Attractive forces can drop in the holding state and an unintentional position of the valve seat is reached, which is detected by the solenoid valve described above. After detecting an anchor drop, it is possible to tighten the anchor again with a high output in order to counteract the undesired effect of the anchor drop.
  • the recess is dimensioned such that the back yoke, preferably iron back yoke, is in a magnetic saturation state in the region of the recess when the excitation current is applied, preferably just just exceeds the limit of the saturation state when the armature is held in the retracted position .
  • the saturation state of the magnetic yoke describes the state in which some of the magnetic field lines emerge from the material of the yoke.
  • the field strength in the area of the recess with magnetic saturation is for example in the range of 6-15 mT, in particular 10-15 mT, preferably 12-14 mT.
  • the magnetic field sensor is designed to detect the state of saturation in the recess and to output a first signal that the armature is in the drawn-in position or in the held state in the retracted position.
  • the sensor is also designed to detect that the recess is not in the saturation state and to output a second signal that the armature drops in the direction of the extended position, in particular as a result of a malfunction or an incorrect operation of the solenoid valve. Due to the lower holding current compared to the attraction current, the armature can drop out of the retracted position due to insufficient magnetic attraction forces. Falling off can be triggered, for example, by external forces (e.g. impact, pipe vibrations).
  • the air gap between the core and the armature increases.
  • An increase in the air gap causes an increase in the total resistance of the magnetic circuit. That means that too Area of the recess is less flooded.
  • the magnetic material of the inference is now no longer saturated and can lead the required flux completely.
  • the field line strength is thus reduced, for example to a range of 1-5 mT, in particular 1-3 mT, in the air region of the recess.
  • the anchor status "attracted” or " fallen off” can also be indicated by a display element (eg LED). Furthermore, this signal can also be transmitted to the control room in order to check the cause of the unwanted anchor drop on site if necessary.
  • the invention relates to an electronic control for actuating an above-mentioned solenoid valve according to the invention, in particular for an electropneumatic drive, which is used in particular in a process engineering system.
  • the solenoid valve can be brought into an on-switching state and an off-switching state.
  • the electronic control according to the invention comprises a supply output for applying an excitation current to a coil of the solenoid valve in order to move the solenoid valve from the off-switching state to the on-switching state.
  • it can also have an electrical supply input, which in particular also serves to supply the electronic components of the electronic control with electrical energy.
  • the electronic control according to the invention has a switching regulator for setting the excitation current on the coil, the switching regulator being designed to apply a pull-in current to the coil of the solenoid valve when it is switched to the on state and to apply a holding current to subsequently hold the on state applied to the coil, which is lower than the pull-in current.
  • the control variable of the switching regulator can be, for example, the magnetic flux density, the magnetic resistance of the magnetic circuit, etc., which parameters can be determined and used in particular by the magnetic field sensor.
  • the electronic control can have a sensor, in particular a magnetic field sensor, for detecting whether the solenoid valve has reached a specific switching state, such as the on-switching state, the sensor being dependent on an input voltage applied to the electronic control is electrically supplied and / or the sensor is arranged in a recess, such as a groove, a metal body, such as a yoke, of the magnetic yoke, and / or comprise a circuit board for power electronics of the switching regulator, the magnetic sensor on the circuit board in a recess, such as a groove, a metal body, such as a yoke, of the magnetic yoke, wherein in particular the sensor is also applied to the circuit board.
  • the groove is preferably circumferential.
  • control electronics have a resistor, preferably a shunt resistor, a comparator, and a transistor, preferably MOSFET, in order to regulate the excitation current in the coil to the holding current.
  • the resistor connected in series with the coil can generate a voltage drop proportional to the excitation current.
  • the pull-in current is applied as an excitation current, the voltage drop across the resistor reaches a threshold value, the threshold value being determinable in the comparator.
  • the comparator interrupts the current flow in the coil via the transistor towards ground when this threshold value is reached.
  • a freewheeling diode connected to the coil dissipates the current in the coil when the comparator interrupts the current flow.
  • the transistor closes automatically after a predetermined time, preferably in the range of a few microseconds, so that the current flow from the coil towards the ground increases again and is interrupted again by the comparator when the threshold value is reached.
  • the threshold value can be regulated in the comparator for regulating from a pull-in current to a holding current to a lower threshold value, so that the excitation current in the coil can be regulated to the desired holding current.
  • the control electronics can also be referred to as power electronics.
  • the control unit applies a pull-in current to the coil until the armature changes its state and the sensor outputs the "armature energized" status signal.
  • the pull-in current can also be called the peak current. If the armature is attracted, the control unit lowers the current after a certain time and applies the holding current to the coil.
  • the holding current can also be a hold current.
  • control electronics are designed such that they receive the second signal from the magnetic field sensor when the armature has dropped out unintentionally, the control unit then changing the threshold value in the comparator in such a way that the coil can be excited with the attraction current and the anchor can be pulled back into the retracted position.
  • the electronic connection of the control electronics can also take place in such a way that the sensor - as already described above - is evaluated. If the magnetic field sensor outputs the second signal "armature dropped off", the electronics increase the threshold voltage of the comparator to the pull-in current and thus ensure that the armature changes to the "armature pulled up” state.
  • control electronics are designed to signal that the armature is in a blocked position when the applied pull-in current is received and the second signal from the sensor is received.
  • the complete armature stroke cannot be carried out due to a foreign body within the valve and flow area or due to seal or material failure, in particular friction, blocking or jamming.
  • a continuous evaluation of the armature stroke can be carried out by means of the detection of the attraction current described above and the evaluation of the signal from the sensor. This makes it possible to detect an intermediate position and to obtain further conclusions about the position of the valve stem. For example, a complete and safe valve lift can be prevented by a fault, so that either opening or closing of the valve plug on the valve seat is prevented. This would not guarantee the corresponding safety position, particularly in safety-relevant applications, and a critical state would occur.
  • By capturing the The various valve positions can be used to record the exact valve position and, if necessary, report it back to the user / operator as a malfunction.
  • the senor is a magnetic field sensor, preferably a Hall sensor or a Hall switch sensor or a reed contact.
  • a Hall switch sensor that has a defined switching threshold between the states “armature attracted” and “armature dropped”, which is preferably between 13.6 and 1.7 mT , preferably in the middle is 7.6 mT.
  • a control circuit board of the control electronics receives the magnetic field sensor directly.
  • the magnetic field sensor is arranged in such a way that it projects into the recess. This makes it possible to place the sensor directly on the outside of the solenoid valve and directly on a control circuit board of the control electronics without additional connecting elements.
  • the sensor is supplied, for example, like the control unit via the input voltage. Complicated housing structures and cable entries inside the solenoid valve can be avoided.
  • the invention relates to a method for controlling a solenoid valve according to the invention, described above, for example for an electropneumatic drive, which is used in particular in a process engineering system.
  • the solenoid valve can either be brought into an on-switching state or into an off-switching state.
  • a pulling current is applied to a coil of the solenoid valve to move the solenoid valve from the off-switching state to the on-switching state.
  • the pull-in current remains applied to the coil for a pull-in time, and after the pull-in time, a holding current is applied to the coil that is lower than the pull-in current.
  • the on-state of the solenoid valve is monitored by a sensor, preferably a magnetic field sensor, to determine whether the solenoid valve leaves the on-state and, if the solenoid valve leaves the on-state , the pull-in current is applied to the coil, in particular leaving the specific switching state of the solenoid valve by detecting an increase in a magnetic resistance of the magnetic metal circuit in the area of the magnetic yoke of the solenoid valve, in particular in the area of a weakening, such as a depression, for example a groove, in a metal body of the magnetic yoke is determined.
  • a sensor preferably a magnetic field sensor
  • the holding current is only applied when a specific switching state of the solenoid valve, preferably the on-switching state, is reached, in particular when the specific switching state is reached by means of a sensor, in particular a magnetic field sensor which, in particular, can detect the strength of a stray field on the outside of a metal body of a yoke of the solenoid valve, and / or if the holding current is present, the pull-in current is then reapplied to the coil if a deviation of the solenoid valve, which is determined in particular by the specific switching state , preferably from the switched-on state, in particular from a sensor such as a magnetic field sensor.
  • the method according to the invention for regulating a solenoid valve which has the following steps: actuation of the solenoid valve with a pulling current in order to move an armature into a retracted position.
  • the solenoid valve is actuated by a holding current to hold the armature in the retracted position, the holding current being lower than the pull-in current.
  • the current is set depending on how the armature positions itself with respect to a core section of the magnetic yoke and / or a magnetic field sensor determines the position of the armature.
  • the method further comprises the following steps: detecting by a sensor, preferably a magnetic field sensor, that the armature is in the drawn-in state or in the held state in the retracted position, and then outputting a first signal.
  • the method further comprises the following steps: detecting a drop in the armature in the direction of an extended position by the sensor, and then outputting a second signal.
  • the method also has the following steps: application of the pull-in current by the control unit, so that the coil can be excited with the pull-in current and the armature is pulled back into the retracted position. Operate the solenoid valve with the holding current to hold the armature in the first position.
  • the method also has the following steps: detection by the control unit whether the attraction current and the second signal are present, and then signal that the armature is in a blocked position.
  • the solenoid valve can also function as a seismograph by considering the armature-spring element unit as a spring-mass system, as well as the sensor, preferably a Hall sensor for detecting the vibrations, and the control unit for processing / converting the signal and is further used for signal evaluation.
  • FIG. 1b shows a schematic cross-sectional view of a solenoid valve according to a further embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic circuit of control electronics according to one embodiment
  • 3a, b are schematic views of the course of the magnetic field lines in the magnetic yoke with profile jump according to one embodiment.
  • Fig. La-b show a solenoid valve 10 comprising a magnetic yoke 14, which can in particular consist of an iron body, which has a cup shape, in the middle of which a cylindrical guide is formed, in which an armature 12 is movably arranged.
  • the magnetic yoke 14 has an essentially flat end face 9 and a cylindrical circumferential side (21 coil).
  • a recess 17 is formed, in which a compression spring 19 is arranged.
  • the compression spring 19 engages in a recess formed in the armature 12, and is thus mounted stably in the radial direction.
  • the compression spring 19 forces the armature 12 into an extended end position, which is not shown in FIGS. 1a and 1b.
  • the magnetic yoke 14 comprises an in particular annular cavity, in which a winding body 25, which is open towards the outside, is arranged, which accommodates a magnetic coil. In the axial direction, the magnetic coil extends along a large part of the core section 16 and overlaps the armature 12 over its entire axial working amplitude.
  • the outside of the winding body 21 at least partially (also an inside of the yoke 14) delimits the guide cylinder 23, in which the armature 12 can be extended and retracted.
  • a working air gap 25 is formed between the armature 12 and the core section 16 of the magnetic yoke 14.
  • the solenoid valve 10 has a pneumatic inlet 31 and a pneumatic outlet 33, which can be opened and closed by a valve member 35.
  • a pneumatic connection between the channels 31, 35 is separated.
  • the end positions are determined by the opposite valve seat stops.
  • the valve member 35 is fixedly connected to the armature 12, in particular made from a piece of magnetizable material.
  • Control electronics (not shown in more detail in FIGS. 1 a and 1 b) energize the coil 18, as a result of which the pneumatic input / output (31, 33) can be set.
  • the control electronics can be part of a pneumatic positioner, which is part of a pneumatic drive of a process engineering system.
  • a profile jump is formed in the form of a groove 20 which, according to FIG. 1 a, extends concentrically to the longitudinal axis A of the translatory movement of the armature 12.
  • the groove 20 is formed all around.
  • the circumferential groove 20 can also be formed on the peripheral side 21 of the magnetic yoke 14. In both In embodiments, the groove 20 forms a weakening of the magnetic body of the yoke 14. The magnetic resistance within the magnetic yoke 14 is thus increased.
  • a magnetic field sensor 22 is arranged in the groove 20.
  • the sensor 22 detects a magnetic flux in the groove 20 in order to determine a position of the armature 12.
  • the groove 20 is a recess with a rectangular cross section with 2 opposite side walls and a bottom section. As can be seen in FIGS. 1 a and 1 b, there is an air gap between the sensor 20 and one of the side walls and the bottom section.
  • Other recesses such as an arcuate recess is also conceivable.
  • the armature 12 is connected to a core section 16 of the yoke 14 via the compression spring 19, the working air gap 25 being formed between the armature 12 and the core section 16.
  • the yoke 14 is designed, for example, as a sheathing housing the coil 18 and the armature 12.
  • the core section 16 is preferably formed as an integral part of the inference 14 and arranged along an axis of symmetry A of the solenoid valve 10.
  • the core section 16 is designed as a section of the yoke 14 projecting in the direction of the armature 12.
  • An end face of the armature 12 and the end face of the core 16 are arranged opposite one another and aligned along the axis of symmetry of the solenoid valve 10.
  • the size of the working air gap 25 varies due to the partial retraction and extension of the armature 12 into and out of the space formed by the yoke 14.
  • the armature 12 When the magnetic field is not applied, the armature 12 is pressed into the extended position by the spring element 19.
  • the armature 12 is placed in a retracted position when the magnetic field is applied.
  • the armature 12 can be moved translationally along a longitudinal direction of the armature and / or along an axis of symmetry of the solenoid valve 10 from the retracted position to the extended position. In an example shown here, the armature 12 actuates the valve member 35 (closure member).
  • the locking element which is directly connected to the magnetic armature, is raised pulled and closes the upper seat of the valve (here 3/2 way valve as an example).
  • the spring element 19 presses the armature 12 back into its starting position, for example into the extended position, and the closure member 35 closes the lower seat.
  • the solenoid valve 10 has control electronics 24.
  • a schematic circuit of the control electronics 24 is shown in FIG. 2.
  • the control electronics 24 are designed in such a way that they deliver an attraction current or a holding current to the coil 14 as an excitation current.
  • the pull-in current is determined in order to move the armature 12 into the retracted position.
  • the holding current after the armature 12 is in the retracted position is set to hold the armature 12 in the retracted position.
  • the holding current is lower than the pull-in current.
  • the control electronics 24 regulate the excitation current in such a way that the respectively required current is present on the coil 18 in order to attract and hold the armature 12 securely. As a result, the current consumption of the solenoid valve 10 can be reduced.
  • the groove 20 is dimensioned such that the yoke 22, preferably iron yoke, is in the area of the recess 20 in a magnetic saturation state when the excitation current is applied, preferably just just exceeds the limit of the saturation state when the armature 12 in the retracted position is held, see Fig. 3a.
  • the state of saturation of the magnetic yoke 14 describes the state that part of the magnetic field lines emerge from the material of the yoke 14.
  • the working air gap 25 is large, the armature 12 has thus dropped, the excitation current or the holding current still being present.
  • the magnetic resistance of the magnetic circuit has increased due to the enlargement of the air gap. As a result, as shown in FIG.
  • the groove 20 is less flooded, ie the ferromagnetic yoke 14 is no longer saturated and can completely conduct the magnetic flux.
  • the field line portion in the air region of the groove 20 thus goes to zero or becomes significantly lower.
  • the sensor just detects i, 7mT.
  • the control electronics 24, as indicated in FIG. 2 have a resistor 26, preferably a shunt resistor, a comparator 28, and a transistor 32, preferably MOSFET, in order to convert the excitation current in the coil 18 to the holding current to regulate.
  • the resistor 26 connected in series with the coil 18 can generate a voltage drop proportional to the excitation current.
  • the voltage drop across the resistor 26 reaches a threshold value which can be determined in the comparator 28.
  • the comparator 28 interrupts the current flow in the coil 18 via the transistor 32 in the direction of ground when this threshold value is reached.
  • a freewheeling diode 30 connected to the coil dissipates the current in the coil 18 when the comparator 28 interrupts the current flow.
  • the transistor 32 closes automatically after a predetermined time, preferably in the range of a few microseconds, so that the current flow from the coil 18 towards the ground increases again and is interrupted again by the comparator 28 when the threshold value is reached.
  • the threshold value can be regulated in the comparator 28 for regulating from a pull-in current to a holding current to a lower threshold value, so that the excitation current in the coil 18 can be regulated to the desired holding current.
  • the control electronics 24 can also be referred to as power electronics.
  • the control electronics 24 follow a switching logic that applies a pull-in current to the coil 18 until the armature 12 changes its state and the sensor 22 outputs the state signal to a control logic 36 (like a microcomputer) “armature pulled up”.
  • the pull-in current can also be called the peak current. If the armature 12 is attracted, the control electronics 24 lowers the current after a certain time and impresses the holding current on the coil.
  • the holding current can also be a hold current.
  • a shunt resistor 26 connected in series with the coil 34 generates a voltage drop proportional to the excitation current. If the excitation current in the coil 18 rises after the application of a supply voltage, the current reaches Voltage drop across the shunt resistor 26 has a certain upper limit, which is determined and detected via a comparator circuit. When this threshold value is reached, the comparator 28 interrupts the current flow through the coil 18 towards the ground via the transistor 32 or the electronic switch (for example a MOSFET switch). Since the current through the coil 18 does not stop abruptly, it is passed on in a targeted manner via a free-wheeling diode 30.
  • the control logic 36 of the control electronics 24 closes the electrical switch again and the current in the coil 18 which has previously flowed through the free-wheeling diode 30 flows again towards the ground.
  • the current rises until the voltage at the shunt resistor 26 reaches the comparator threshold voltage and the MOSFET interrupts the connection to ground again. This process is now repeated, as a result of which the current in the coil 18 is kept at a constant current with ripples.
  • the control electronics 24 By changing the comparator threshold voltage, the level of the coil current or excitation current can be varied during operation of the valve 10. If the threshold voltage of the comparator 28 becomes lower, the control electronics 24 effectively regulate a lower current in the coil 18. By means of a clever connection, it can be achieved that after the first energization of the circuit an attraction current (peak current) is regulated, which leads to this that the valve armature 12 safely changes to the “armature tightened” state. If this state is reached after a certain time, the control electronics 24 selectively reduce the current to the holding current, as a result of which the power consumed by the coil 18 is reduced.
  • the electronic connection of the control electronics 24 can also take place in such a way that the sensor 22 - as already described above - is evaluated. If the sensor 22 outputs the second signal “armature dropped off” to the control logic 36, the electronics increase the threshold voltage of the comparator 28 to the pull-in current and thereby achieve that the armature 12 changes to the state “not energized”.
  • a control circuit board of the control electronics 24 directly receives the magnetic field sensor 22.
  • the magnetic field sensor 22 is arranged in such a way that it projects into the groove 20, as shown schematically in FIG. This makes it possible to arrange the sensor 22 directly on the outside of the solenoid valve 10 and without additional connecting elements directly on a control circuit board 40 of the control electronics 24.
  • the sensor 22 is supplied, for example, like the control electronics 24 via the input voltage. Complicated housing structures and cable bushings within the solenoid valve 10 can thereby be avoided.
  • a method for regulating a solenoid valve 10 which has the following steps: actuation of the solenoid valve 10 with a pulling current in order to move an armature 12 of a retracted position. Actuating solenoid valve 10 with a holding current to hold armature 12 in the retracted position, the holding current being lower than the pull-in current.
  • the method also has the following steps: detecting by means of a sensor, preferably magnetic field sensor 22, that the armature 12 is in the drawn-in state or in the held state in the retracted position, and then outputting a first signal.
  • a sensor preferably magnetic field sensor 22
  • the method further comprises the following steps: detection of a drop in the armature 12 in the direction of an extended position by the sensor, and then output of a second signal.
  • the method also has the following steps: application of the pull-in current by the control electronics 24, so that the coil 18 can be excited with the pull-in current and the armature 12 is pulled back into the retracted position. Operating the solenoid valve 10 with the holding current to hold the armature 12 in the first position.
  • the method further comprises the following steps: detection by the control electronics 24 as to whether the attraction current and the second one Signal present, and then signal that the anchor is in a blocked position.
  • the solenoid valve 10 can also function as a seismograph by considering the armature-spring element unit as a spring-mass system, the sensor, preferably a Hall sensor for detecting the vibrations, and the control unit for processing / converting the signal and continues to be used for signal evaluation.

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Abstract

Magnetventil insbesondere für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage eingesetzt ist, umfassend eine insbesondere ringförmige Magnetspule, einen eine Magnetspule aufnehmenden, magnetischen Rückschlussaus einem magnetisierbaren Material, an dessen Innenseite ein Anker beweglich angeordnet ist und dessen Außenseite die Magnetspule zumindest teilweise umgibt, einen Magnetfeldsensor, insbesondere einen Hallsensor, zum Erfassen, insbesondere Messen, der magnetischen Flussdichte, wobei an der Außenseite des magnetischen Rückschlusses ein Profilsprung, wie eine Profilvertiefung, beispielsweise eine Nut, ausgebildet ist, wobei im Bereich des Profilsprungs der Magnetfeldsensor angeordnet ist.

Description

Magnetventil, Steuerungselektronik für ein Magnetventil und Verfahren zum Steuern eines Magnetventils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetventil insbesondere für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage, beispielsweise einer chemischen oder petrochemischen Anlage, einer lebensmittelverarbeitenden Anlage, eines Kernkraftwerks oder andere prozesstechnischen Anlagen, eingesetzt ist. Der pneumatische Antrieb kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, eine Stellarmatur, wie ein Stellventil, zu betätigen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungselektronik zum Steuern eines Magnetventils und ein Verfahren zum Steuern des Magnetventils.
Ein solches Magnetventil kann mit einem Sensor zum Ermitteln einer Ankerstellung in einem solchen Magnetventil vorgesehen sein. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern des Magnetventil und einen Stellungsregler, insbesondere einen elektropneumatischen Stellungsregler, der gemäß der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren arbeiten kann und/oder ein erfindungsgemäßes Magnetventil umfasst. Ein derartiger Stellungsregler kann mit einem pneumatischen Antrieb gekoppelt sein, der ein Feldgerät der prozesstechnischen Anlage, wie ein Stellventil oder ein Not abstellt Ventil, betätigt.
Magnetventile werden üblicherweise über einen Elektromagneten betätigt. Das gattungsgemäße Magnetventil hat insbesondere eine ringförmige Magnetspule, deren Induktivitäten ein magnetisches Feld generiert, das einen Anker des Magnetventils vorzugsweise in einer translatorischen Stellbewegung verlagern lässt. Es ist bekannt, dass der Anker des Magnetventils bei elektrischer Bestromung in eine eingefahrene Position verfährt, während bei Fehlen eines Magnetfelds der Anker in eine ausgefahrene Position bewegt wird. Je nach Stellposition des Ankers öffnet oder schließt das Magnetventil. Die Spule ist üblicherweise um einen Zentralabschnitt oder Magnetkern eines sogenannten magnetischen Rückschlusses des Magnetventils gewickelt. Der bewegliche Anker ist üblicherweise ferromagnetisch und wird durch das Magnetfeld angezogen, das durch die Spule erzeugt wird und durch den Magnetkern verstärkt wird. Das zwischen Anker und Kern ausgebildete Magnetfeld übt eine Kraft aus, die im Besonderen von dem zwischen Anker und Magnetkern gebildeten Luftspalt abhängt. Je kleiner der Abstand zwischen Magnetkern und Anker, desto stärker ist die Magnetkraft. Das Magnetventil ist üblicherweise mit einem Ventilsitz versehen, der mit einem mit dem Anker gekoppelten Ventilglied derart zusammenarbeitet, dass er in einer oder mehreren Stellungen des Ventilglieds Kanäle oder Wege im Ventilgehäuse freigibt und oder zumindest teilweise abdichtet.
Ein Magnetventil mit einem Magnetsensor zum Messen eines magnetischen Flusses und damit zum Berechnen und Regeln der auf den Anker wirkenden Kräfte ist aus DE io 2015 116 464 Ai bekannt. Das Magnetventil hat einen Magnetfeldsensor, insbesondere Hallsensor, zur Messung der magnetischen Flussdichte, der zwischen dem Anker und dem Magnetkern in einem Luftspalt angeordnet ist. Der Luftspalt ist im Inneren des magnetischen Rückschlusses ausgebildet, radial innenseitig bezüglich der Ringspule des Magnetventils, die in dem magnetischen Rückschluss aufgenommen ist. Den Luftspalt teilweise belegend ist ein hohlzylinderförmiger Steg eingesetzt, der Teil eines äußeren Abschnitts des magnetischen Rückschlusses des Magnetventils bildet. Aufgrund des magnetisierbaren Stegs wird ein Teil des Magnetfelds durch den Luftspalt geleitet, dessen magnetische Flussdichte der Flussdichte eines Luftspalts zwischen Kern und Anker ähnlich ist. Durch die Messung des Magnetfelds können Rückschlüsse auf die auf den Anker wirkenden Kräfte gezogen werden.
Das oben beschriebene Magnetventil erfordert eine spezielle und komplexe Gehäuse- oder Rückschlussstruktur, insbesondere um den Steg, der in einen ringzylindrischen Hohlraum greift, um einen adäquaten Messluftspalt zu bilden. Für eine Betätigung des oben beschriebenen oder andere gattungsähnliche Magnetventile wird für die Bestromung der Spule eine einzige, insbesondere maximale elektrische Leistung angefordert. Dabei wird der Magnetanker nach Überwinden einer Haft Reibung Haftreibung in Bewegung versetzt und bei anliegendem Strom (Peak- Strom, Anziehstrom) im geschalteten Zustand gehalten. Dabei wird stets diese maximale Leistung angefordert, obwohl diese zum Halten des Magnetankers nicht notwendig ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere, ein Magnetventil bereitzustellen, das in energieeffizienter Weise betrieben wird und insbesondere eine Fehlstellung des Magnetventils zuverlässig erfasst, ohne den grundsätzlichen Aufbau des Magnetventils abändern zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch ein Magnetventil gemäß Anspruch l gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Magnetventil insbesondere für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage eingesetzt ist, vorgeschlagen.
Das erfindungsgemäße Magnetventil hat insbesondere die Funktion eines direktwirkenden Magnetventils. Das Magnetventil wird über einen Elektromagneten betätigt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird eine Spule bestromt und generiert ein magnetisches Feld, das einen an einem Ventilschaft befestigten Anker anzieht, sodass das Ventil öffnet bzw. schließt. Der Ventilsitz ist insbesondere so ausgeführt, dass er in beiden End-Stellungen entsprechende Kanäle im Ventilgehäuse schaltet und abdichtet.
Das erfindungsgemäße Magnetventil umfasst eine insbesondere ringförmige Magnetspule und einen eine Magnetspule aufnehmenden, magnetischen Rückschluss, an dessen Innenseite ein Anker beweglich angeordnet, insbesondere gelagert, ist und dessen Außenseite die Magnetspule zumindest teilweise umgibt und/oder die die Magnetspule zumindest teilweise einhaust. Der Rückschluss begrenzt einen insbesondere zylindrischen Hohlraum, in dem ein Anker beispielsweise wie ein Kolben längs einer linearen Stellbewegung hin und her verfahrbar ist. Der Rückschluss kann auch als Magnetjoch bezeichnet werden. Die Spule kann auch als Wicklung oder Induktivität bezeichnet werden. Das erfindungsgemäße Magnetventil hat des Weiteren einen Magnetfeldsensor, insbesondere einen Hallsensor, einen Hall-Switch-Sensor oder ein Reedkontakt, zum Erfassen, insbesondere Messen, der magnetischen Flussdichte. Erfindungsgemäß ist an der Außenseite des magnetischen Rückschlusses ein Profilsprung, wie eine Profilvertiefung, beispielsweise eine Nut, ausgebildet, wobei in dem Bereich des Profilsprungs der Magnetfeldsensor angeordnet ist. Der Profilsprung bildet insbesondere eine Schwächung des magnetisierbaren Materials des magnetischen Rückschluss, wodurch der magnetische Widerstand des Magnetkreises in dem magnetischen Rückschluss erhöht ist. Im bestimmten bestromten Zustand der Spule können Feldlinien im Bereich des Profilsprungs aus dem Rückschluss heraustreten. Dies ermöglicht es, bei einem bestimmten, an der Magnetspule angelegten Erregerstrom aufgrund des im Bereich des Profilsprung platzierten Magnetfeldsensors auf die Abmessung des sogenannten Arbeitsluftspalts zwischen dem Anker und dem magnetischen Rückschluss, insbesondere dessen zentral liegenden Kernabschnitt, zu schließen, welcher Arbeitsluftspalt sich im Verlauf des Betriebs des Magnetventils vergrößert und verkleinert. Der Magnetfeldsensor erfasst den magnetischen Fluss im Bereich des Profilsprungs, insbesondere in der Profilvertiefimg, um insbesondere die Position des Ankers zu ermitteln.
Wenn der Anker beispielsweise abfällt, erhöht sich der magnetische Gesamtwiderstand und bei gleichbleibleibendem Erregerstrom, reduziert sich die magnetische Feldstärke in der Ausnehmung, was durch den Sensor erfasst wird. Daraus können Rückschlüsse auf die Ankerposition gezogen werden. Der Sensor erfasst somit, ob der Anker bei anliegender Spannung angezogen ist oder nicht. In der Ausnehmung detektiert der Sensor somit die Stärke des Streufeldes durch den Nutluftspalt bzw. verändert vordefinierbaren Ausgangszustand beim Unter-/ Überschreiten einer Schaltschwelle. So kann der Sensor die Zustände „Anker angezogen“ bzw. “Anker abgefallen“ differenzieren und ein entsprechendes elektrisches Signal ausgeben, das von einer Regelungseinheit erfasst wird. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Profilsprung als eine Profilvertiefung, wie eine Nut, ausgeführt. Vorzugsweise ist die Profilvertiefung in der insbesondere ansonsten gleichmäßigen Außenseite des Körpers des magnetischen Rückschlusses geformt. Beispielsweise ist die Außenseite des magnetischen Rückschlusses eine Außenstirnseite, welche flach und/oder senkrecht zur Verlagerungsrichtung des Ankers liegt, oder eine rotationsförmige, insbesondere zylindrische, Umgebungsaußenseite, die insbesondere die Magnetspule vorzugsweise vollständig umgibt. Vorzugsweise umfasst die Nut eine radiale oder axiale Profiltiefe von weniger als 20 oder io mm, insbesondere eine Profiltiefe von mehr als 50 %, 60 %, 70 %, 80 % der Wandstärke des Rückschlusses hin zur Spule.
Vorzugsweise bildet sich zwischen dem in der Profilvertiefung angeordneten Magnetfeldsensor und einer Wandung der Profilvertiefung ein Luftspalt. Die Wandung der Profilvertiefung ist insbesondere durch Wandbereiche definiert, beispielsweise Seitenwände oder ein Bodenabschnitt einer insbesondere sacHochförmigen und/oder umlaufenden Vertiefung an der Außenseite des magnetischen Rückschluss. Insbesondere oder alternativ ist die Profilvertiefung sacklochförmig und/oder umlaufend in dem magnetischen Rückschluss eingebracht, und/oder ein Messpunkt des Magnetfeldsensors ist innerhalb der Profilvertiefung angeordnet. Vorzugsweise hat die Profilvertiefung eine von einer Außenseite, wie einer Stirnseite oder einer zylindrischen Umlaufseite, des magnetischen Rückschluss genommene Tiefe eine Abmessung, die derart gewählt ist, dass die strukturelle Ausdehnung des Magnetfeldsensors und/oder der durch den Magnetfeldsensor festgelegte optimale Messpunkt vollständig innerhalb der Profilvertiefung angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor derart angeordnet, dass dieser, insbesondere dessen strukturelle Abmessung, in die Profilvertiefung hineinragt.
Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor dazu ausgelegt, ein Über- und/oder Unterschreiten einer vorbestimmten Magnetfeldstärke, wie eine Magnetventil- Schaltschwelle (Anker angezogen/ Anker abgefallen) zu erfassen, um je nachdem ein entsprechendes Zustandssignal, wie ein Überschreitungssignal oder ein Unterschreitungssignal, insbesondere an eine Steuerungselektronik abzugeben, die vorzugsweise eine Bestromung der Magnetspule veranlasst. Die Steuerungselektronik kann beispielsweise eine übergeordnete Zentralregelung sein oder eine magnetventilspezifische Mikrorecheneinheit, die unmittelbar an dem Magnetfeldsensor gekoppelt ist. Die Steuerelektronik kann ein Teil der Struktur des Magnetventils bilden. Die Steuerelektronik kann eine Leiterplatte umfassen, an der Elektronikkomponenten und/oder der Magnetfeldsensor befestigt ist, wobei insbesondere die Längsausdehnung der Leiterplatte derart gewählt sein kann, dass sie in der Profilvertiefung über die Außenseite des magnetischen Rückschluss ragen kann.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Magnetfeldsensor dazu ausgelegt, anhand eines magnetischen Flusses im Bereich des Profilsprungs die Position des Ankers insbesondere längs dessen translatorischen Stellwegs zu ermitteln. Der Magnetfeldsensor kann als Positionssensor fungieren, der mit einer Stellungsregelung, wie einem Stellungsregler, kommunizieren kann.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat das erfindungsgemäße Magnetventil eine Steuerungselektronik, die insbesondere entsprechend der noch unten erläuterten erfindungsgemäßen Steuerelektronik ausgebildet ist und/oder dazu ausgelegt ist, einen Anzugstrom oder einen Haltestrom als Erregerstrom an die Magnetspule abzugeben, wobei insbesondere der Anzugstrom derart eingestellt ist, dass sich der Anker in die insbesondere eingefahrene Endstellung bewegt. Vorzugsweise ist die Steuerungselektronik dazu ausgelegt, einen Haltestrom als Erregerstrom an die Magnetspule abzugeben, sobald sich der Anker in einer insbesondere eingefahrenen Endstellung befindet, wobei insbesondere der Haltestrom derart eingestellt ist, dass er niedriger als der Anzugstrom ist und/oder den Anker in der insbesondere eingefahrenen Endstellung hält.
Der Rückschluss ist aus einem magnetisierbaren Material, vorzugsweise ein ferritisches Material, gebildet. In einem Beispiel hat der Rückschluss einen umlaufenden Aufnahmekörper zum Aufnehmen der Magnetspule und einen dem Anker im Wesentlichen axial diametral gegenüberliegenden Kern, der entlang einer Symmetrieachse des Rückschlusses oder einer translatorischen Bewegungsachse des Ankers ausgebildet ist und/oder an dem sich der Anker insbesondere in einer der Endstellungen des Magnetventil abstützt oder anschlägt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anker mit einem Kern des Rückschlusses über ein Federelement verbunden, wobei zwischen dem Anker und dem Kern der Arbeitsluftspalt ausgebildet ist. Die Größe des Arbeitsluftspalts variiert durch das Ein- und Ausfahren des Ankers in den Raum. Der Anker ist bei nicht-anliegendem Magnetfeld durch das Federelement in eine ausgefahrene Stellung gezwungen. Der Anker ist bei anliegendem Magnetfeld in eine eingefahrene Stellung gestellt. In einem Beispiel ist der Anker translatorisch entlang einer Längsrichtung des Ankers und/ oder entlang einer Symmetrieachse des Magnetventils von der eingefahrenen Stellung in die ausgefahrene Stellung bewegbar. In einem Beispiel betätigt der Anker ein Ventilglied (Verschlussorgan) eines Stellventils.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Magnetventil eine Steuerungselektronik auf, die dazu ausgelegt ist, einen Anzugstrom oder einen Haltestrom als Erregerstrom an die Magnetspule abzugeben, wobei insbesondere der Anzugstrom derart eingestellt ist, dass sich der Anker in die insbesondere eingefahrene Endstellung bewegt. Vorzugsweise kann die Steuerungselektronik dazu ausgelegt sein, einen Haltestrom als Erregerstrom an die Magnetspule abzugeben, sobald sich der Anker in einer insbesondere eingefahrenen Endstellung befindet, wobei insbesondere der Haltestrom derart eingestellt ist, dass er niedriger als der Anzugstrom ist und/oder den Anker in der insbesondere eingefahrenen Endstellung hält.
Die Steuerungselektronik regelt den Erregerstrom in der Weise, dass zum Anziehen als auch zum sicheren Halten des Ankers der jeweils nötige Strom an der Spule anliegt. Dadurch kann der Stromverbrauch des Magnetventils reduziert werden. Da sich ein magnetischer Luftspalt nach dem Schalten des Ventils in einer ersten Stellung verringert hat und dadurch auch der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, reicht ein verminderter Strom bzw. ein vermindertes Magnetfeld aus, um den Anker in der eingefahrenen Stellung zu halten. Der Strom wird nach einer festgelegten Zeit auf einen niedrigeren Haltestrom geregelt, wodurch sich die Leistungsaufnahme reduziert. Jedoch besteht nun die Gefahr, dass durch äußere Krafteinwirkung (z.B. Impuls/Beschleunigung in Form eines Schlags auf das Magnetventil oder durch Rohrleitungsvibrationen) der Anker aufgrund zu geringer magnetischer
Anziehungskräfte im Haltezustand abfallen kann und eine unbeabsichtigte Stellung des Ventilsitzes erreicht wird, was durch das oben beschriebene Magnetventil detektiert wird. Nach dem Erkennen eines Ankerabfalls ist ein erneutes Anziehen des Ankers mit hoher Leistung möglich, um dem ungewollten Effekt des Anker-Abfalls entgegenzuwirken.
Gemäß einer weiteren bevorzugen Ausführungsform ist die Ausnehmung derart dimensioniert, dass der Rückschluss, vorzugsweise Eisenrückschluss, im Bereich der Ausnehmung bei angelegtem Erregerstrom in einem magnetischen Sättigungszustand ist, vorzugsweise gerade so eben die Grenze des Sättigungszustands überschreitet, wenn der Anker in der eingefahrenen Stellung gehalten ist. Der Sättigungszustand des magnetischen Rückschlusses beschreibt den Zustand, bei dem ein Teil der magnetischen Feldlinien aus dem Material des Rückschlusses austreten. Die Feldstärke in dem Bereich der Ausnehmung bei magnetischer Sättigung liegt beispielsweise im Bereich von 6-15 mT, insbesondere 10-15 mT, vorzugsweise 12-14 mT.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor gestaltet, den Sättigungszustand in der Ausnehmung zu erfassen und ein erstes Signal auszugeben, dass der Anker sich in einem angezogenen Zustand oder gehaltenen Zustand in der eingefahrenen Stellung befindet. Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor weiterhin derart gestaltet, um zu erfassen, dass die Ausnehmung nicht in dem Sättigungszustand ist, und ein zweites Signal auszugeben, dass der Anker in Richtung der ausgefahrenen Stellung insbesondere aufgrund einer Fehlfunktion oder einem Fehlbetrieb des Magnetventils abfällt. Durch den gegenüber dem Anziehstrom erniedrigten Haltestrom kann der Anker aufgrund zu geringer magnetischer Anziehkräfte aus der eingefahrenen Stellung abfallen. Ein Abfallen kann beispielsweise durch äußere Krafteinwirkung (z.B. Schlag, Rohrleitungsvibrationen) ausgelöst werden. Wenn der Anker sich von dem Kern bei gleichbleibendem Haltestrom wegbewegt, d.h. abfällt, vergrößert sich der Luftspalt zwischen dem Kern und dem Anker. Eine Vergrößerung des Luftspalts verursacht eine Erhöhung des Gesamtwiderstands des Magnetkreises. Das bedeutet, dass auch der Bereich der Ausnehmung weniger durchflutet wird. Das magnetische Material des Rückschlusses ist nun nicht mehr in der Sättigung und kann den benötigten Fluss vollständig führen. Somit verringert sich die Feldlinienstärke, beispielsweise auf einen Bereich von 1-5 mT, insbesondere 1-3 mT, im Luftbereich der Ausnehmung. Der Ankerzustand„angezogen“ oder„abgefallen“ kann zusätzlich durch ein Anzeigeelement (z.B. LED) zur Anzeige gebracht werden. Weiterhin kann dieses Signal auch an die Leitwarte übermittelt werden, um ggf. die Ursache des ungewollten Anker-Abfalls vor Ort zu überprüfen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektronische Steuerung zum Betätigen eines insbesondere erfindungsgemäßen, oben genannten Magnetventils insbesondere für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage eingesetzt ist. Das Magnetventil kann in einen Ein- Schaltzustand und einen Aus-Schaltzustand verbracht werden. Die erfindungsgemäße elektronische Steuerung umfasst einen Versorgungsausgang zum Anlegen eines Erregerstroms an eine Spule des Magnetventils, um das Magnetventil von dem Aus-Schaltzustand in den einen Ein- Schaltzustand zu verbringen. Um eine Versorgungsspannung an der elektronischen Steuerung anzulegen, kann diese auch einen elektrischen Versorgungseingang aufweisen, der insbesondere auch dazu dient, die elektronischen Komponenten der elektronischen Steuerung mit elektrischer Energie zu versorgen. Des Weiteren hat die erfindungsgemäße elektronische Steuerung einen Schaltregler zum Einstellen des Erregerstroms an der Spule, wobei der Schaltregler dazu ausgelegt ist, beim Verbringen in den Ein-Schaltzustand einen Anzugstrom an der Spule des Magnetventils anzulegen und zum anschließenden Halten des Ein-Schaltzustand einen Haltestrom an der Spule angelegt, der niedrigerer als der Anzugstrom ist. Die Regelungsgröße des Schaltreglers kann beispielsweise die magnetische Flussdichte, der magnetische Widerstand des Magnetkreises, etc. sein, welche Parameter insbesondere durch den Magnetfeldsensor ermittelt und genutzt werden können.
Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die elektronische Steuerung einen Sensor, insbesondere einen Magnetfeldsensor, zum Erfassen, ob das Magnetventil eine spezifische Schaltzustand, wie den Ein-Schaltzustand, erreicht hat, aufweisen, wobei der Sensor von einer an der elektronischen Steuerung anliegenden Eingangsspannung elektrisch versorgt ist und/oder der Sensor in einer Vertiefung, wie einer Nut, eines Metallkörpers, wie ein Joch, des magnetischen Rückschluss angeordnet ist, und/oder eine Leiterplatte für Leistungselektronik des Schaltregler umfassen, wobei der Magnetsensor auf der Leiterplatte in einer Vertiefung, wie einer Nut, eines Metallkörpers, wie ein Joch, des magnetischen Rückschluss angeordnet ist, wobei insbesondere der Sensor ebenfalls auf der Leiterplatte aufgebracht ist. Die Nut ist vorzugsweise umlaufend ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuerungselektronik einen Widerstand, vorzugsweise Shunt-Widerstand, einen Komparator, und einem Transistor, vorzugsweise MOSFET, auf, um den Erregerstrom in der Spule auf den Haltestrom zu regeln. Dabei kann der zur Spule in Reihe geschaltete Widerstand einen zum Erregerstrom proportionalen Spannungsabfall erzeugen. Bei Anliegen des Anziehstroms als Erregerstrom, erreicht der Spannungsabfall an dem Widerstand einen Schwellwert, wobei der Schwellwert in dem Komparator festlegbar ist. Der Komparator unterbricht den Stromfluss in der Spule über den Transistor in Richtung Masse bei Erreichen dieses Schwellwerts. Eine mit der Spule geschaltete Freilaufdiode führt den Strom in der Spule ab, wenn der Komparator den Stromfluss unterbricht. Der Transistor schließt nach einer festgelegten Zeit, vorzugsweise im Bereich von wenigen Mikrosekunden, selbstständig, sodass der Stromfluss von der Spule in Richtung Masse wieder ansteigt und bei Erreichen des Schwellwerts wieder vom Komparator unterbrochen wird. Der Schwellwert ist in dem Komparator für die Regelung von einem Anziehstrom auf einen Haltestrom auf einen niedrigeren Schwellwert regelbar, sodass der Erregerstrom in der Spule auf den gewünschten Haltestrom regelbar ist.
Die Steuerungselektronik kann auch als Leistungselektronik bezeichnet werden. Die Regelungseinheit prägt der Spule einen Anziehstrom auf, bis der Anker seinen Zustand wechselt und der Sensor das Zustandssignal „Anker angezogen“ ausgibt. Der Anziehstrom kann auch als Peak-Strom bezeichnet werden. Ist der Anker angezogen, so senkt die Regelungseinheit den Strom nach einer gewissen Zeit ab und prägt der Spule den Haltestrom auf. Der Haltestrom kann auch als Hold-Strom auf. Durch die Überwachung der Anker-Stellung und die Regelung des Spulenstroms auf ein niedriges Niveau kann eine sehr große Energieeinsparung realisiert werden, ohne den regulären Ventilbetrieb zu gefährden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungselektronik derart ausgestaltet, dass sie das zweite Signal von dem Magnetfeldsensor erhält, wenn der Anker ungewollt abgefallen ist, wobei die Regelungseinheit daraufhin den Schwellwert in dem Komparator in der Weise verändert, dass die Spule mit dem Anziehstrom erregbar ist und der Anker wieder in die eingefahrene Stellung anziehbar ist.
Gleichzeitig kann die elektronische Verschaltung der Steuerungselektronik auch so erfolgen, dass der - wie oben bereits beschriebene - Sensor ausgewertet wird. Gibt der Magnetfeldsensor das zweite Signal„Anker abgefallen“ aus, so erhöht die Elektronik die Schwellspannung des Komparators auf den Anziehstrom und erreicht damit, dass der Anker in den Zustand„Anker angezogen“ übergeht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungselektronik derart ausgestaltet, bei Erfassen des anliegenden Anziehstroms und Erhalten des zweiten Signals des Sensors, zu signalisieren, dass sich der Anker in einer blockierten Stellung befindet.
Beispielsweise kann der vollständige Ankerhub aufgrund eines Fremdkörpers innerhalb des Ventil- und Strömungsbereichs oder aufgrund von Dichtungs- oder Materialversagen, insbesondere Reibung, Verblockung oder Verklemmung, nicht vollzogen werden. Des Weiteren kann mittels der oben beschriebenen Erfassung des Anziehstroms und der Auswertung des Signals des Sensors, eine kontinuierliche Auswertung des Ankerhubes vorgenommen werden. Dadurch ist es möglich eine Zwischenstellung zu detektieren und weitere Rückschlüsse über die Position des Ventilschafts zu erhalten. Beispielsweise kann durch einen Fehlerfall der vollständige und sichere Ventilhub verhindert werden, sodass entweder ein Öffnen oder Schließen des Ventilkegels am Ventilsitz verhindert wird. Dadurch würde insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen die entsprechende Sicherheitsstellung nicht gewährleistet und ein kritischer Zustand träfe ein. Durch die Erfassung der verschiedenen Ankerpositionen kann die genaue Ventilposition erfasst werden und ggf. an den Anwender/Betreiber als Störfall rückgemeldet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor ein Magnetfeldsensor, vorzugsweise ein Hall-Sensor oder ein Hall-Switch-Sensor oder ein Reedkontakt.
Zum Detektieren des Abfallens des Ankers, d.h. das Erfassen der Feldstärke im leicht gesättigten Zustand auf den nicht gesättigten Zustand kann beispielsweise ein Hall Switch Sensor eingesetzt werden, der eine definierte Schaltschwelle zwischen den Zuständen„Anker angezogen“ und„Anker abgefallen“ hat, die vorzugsweise zwischen 13,6 und i,7mT, vorzugsweise in der Mitte bei 7,6 mT liegt.
Gemäß einer Ausführungsform nimmt eine Ansteuer-Leiterplatine der Steuerungselektronik den Magnetfeldsensor direkt auf. Der Magnetfeldsensor ist derart angeordnet, dass dieser in die Ausnehmung hineinragt. Dadurch ist es möglich den Sensor direkt an der Außenseite des Magnetventils und ohne zusätzliche Verbindungselemente direkt auf eine Ansteuer-Leiterplatine der Steuerungselektronik anzuordnen. Der Sensor wird dabei beispielsweise wie die Regelungseinheit über die Eingangsspannung versorgt. Komplizierte Gehäusestrukturen und Kabeldurchführungen innerhalb des Magnetventils können dadurch vermieden werden.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines insbesondere erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Magnetventils beispielsweise für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage eingesetzt ist. Bei dem Verfahren kann das Magnetventil entweder in einen Ein- Schaltzustand oder in einen Aus-Schaltzustand verbracht werden. Zum Verbringen des Magnetventils von dem Aus-Schaltzustand in den einen Ein-Schaltzustand wird ein Anzugstrom an einer Spule des Magnetventils angelegt. In dem Ein-Schaltzustand bleibt der Anzugstrom eine Anziehzeit lang an der Spule angelegt und nach der Anziehzeit wird ein Haltestrom an der Spule angelegt, der niedrigerer als der Anzugstrom ist. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird während des Anliegens des Haltestroms an der Spule mittels eines Sensors, vorzugsweise eines Magnetfeldsensors, der Ein-Schaltzustand des Magnetventils überwacht, ob das Magnetventil den Ein- Schaltzustand verlässt, und, sollte das Magnetventil den Ein-Schaltzustand verlassen, wird der Anzugstrom an der Spule angelegt, wobei insbesondere das Verlassen des spezifischen Schaltzustands des Magnetventils durch Detektieren einer Erhöhung eines magnetischen Widerstands des Magnetmetallkreises im Bereich des magnetischen Rückschluss des Magnetventils, insbesondere im Bereich einer Schwächung, wie einer Vertiefung, beispielsweise einer Nut, in einem Metallkörper des magnetischen Rückschlusses ermittelt wird.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Haltestrom erst dann angelegt wird, wenn ein spezifischer Schaltzustand des Magnetventils, vorzugsweise der Ein-Schaltzustand, erreicht wird, wobei insbesondere das Erreichen des spezifischen Schaltzustands mittels eines Sensors, insbesondere ein Magnetfeldsensor, erfasst wird, der insbesondere die Stärke eines Streufelds eines an einer Außenseite eines Metallkörpers eines Rückschluss des Magnetventil detektieren kann, und/oder bei Anliegen des Haltestroms dann der Anzugstrom an der Spule erneut angelegt wird, wenn eine von dem spezifischen Schaltzustand insbesondere vorab bestimmte Abweichung des Magnetventils, vorzugsweise von dem Ein- Schaltzustand, insbesondere von einem Sensor, wie eine Magnetfeldsensor, erfasst wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln eines Magnetventils vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist: Betätigung des Magnetventils mit einem Anziehstrom, um einen Anker in eine eingefahrene Stellung zu bewegen. Das Magnetventil wird durch einen Haltestrom betätigt, um den Anker in der eingefahrenen Stellung zu halten, wobei der Haltestrom niedrigerer als der Anziehstrom ist. Der Strom wird je nachdem, wie sich der Anker bezüglich eines Kernabschnitts des magnetischen Rückschluss stellt und/oder ein Magnetfeldsensor die Position des Ankers ermittelt, eingestellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Detektieren durch einen Sensor, vorzugsweise Magnetfeldsensor, dass der Anker sich in einem angezogenen Zustand oder gehaltenen Zustand in der eingefahrenen Stellung befindet, und daraufhin Ausgeben eines ersten Signals. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Detektieren eines Abfalls des Ankers in Richtung einer ausgefahrenen Stellung durch den Sensor, und daraufhin Ausgeben eines zweiten Signals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Anlegen des Anziehstroms durch die Regelungseinheit, sodass die Spule mit dem Anziehstrom erregbar ist und der Anker wieder in die eingefahrene Stellung angezogen wird. Betätigen des Magnetventils mit dem Haltestrom, um den Anker in der ersten Stellung zu halten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Erfassen durch die Regelungseinheit, ob der Anziehstrom und das zweite Signal anliegen, und daraufhin signalisieren, dass sich der Anker in einer blockierten Stellung befindet.
In einem weiteren Beispiel kann das Magnetventil auch als Seismograph fungieren, indem die Anker-Federelement-Einheit als Feder-Masse-System betrachtet wird sowie der Sensor, vorzugsweise Hall-Sensor zum Detektieren der Schwingungen, und die Regelungseinheit zur Verarbeitung/Wandlung des Signals und weiter zur Signalauswertung genutzt wird.
Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden mittels Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden beispielhaften Zeichnungen deutlich, in denen zeigen: Fig. la eine schematische Querschnittsansicht eines Magnetventils gemäß einer Ausführungsform;
Fig. lb eine schematische Querschnittsansicht eines Magnetventils gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 2 einen schematischen Schaltkreis einer Steuerungselektronik gemäß einer Ausführungsform; und
Fig. 3a, b schematische Ansichten zum Verlauf der magnetischen Feldlinien im magnetischen Rückschluss mit Profilsprung gemäß einer Ausführungsform.
Fig. la-b zeigen ein Magnetventil 10 umfassend einen magnetischen Rückschluss 14, der insbesondere aus einem Eisenkörper bestehen kann, der eine Napfform aufweist, in deren Mitte eine zylinderförmige Führung ausgebildet ist, in der ein Anker 12 beweglich angeordnet ist. Der magnetische Rückschluss 14 hat eine im Wesentlichen flache Stirnseite 9 und eine zylindrisch umlaufende Umfangsseite (21 Spule).
In einem zentralen Kernabschnitt 16 des Eisenkörpers ist eine Aussparung 17 ausgebildet, in der eine Druckfeder 19 angeordnet ist. Die Druckfeder 19 greift in eine in dem Anker 12 ausgebildete Aussparung, und ist damit in Radialrichtung stabil montiert. Die Druckfeder 19 zwingt den Anker 12 in eine ausgefahrene End-Stellung, die in den Figuren la und lb nicht dargestellt ist.
Der magnetische Rückschluss 14 umfasst einen insbesondere ringförmigen Hohlraum, in der einnach radial außen offener Wickelkörper 25 angeordnet ist, welcher eine Magnetspule aufnimmt. In Axialrichtung erstreckt sich die Magnetspule längs eines Großteils des Kernabschnitts 16 und überlappt den Anker 12 über dessen gesamte axiale Arbeitsamplitude. Die Außenseite des Wickelkörpers 21 begrenzt zumindest teilweise (auch eine Innenseite des Rückschluss 14) den Führungszylinder 23, in dem der Anker 12 ein- und ausfahrbar ist.
Zwischen dem Anker 12 und dem Kernabschnitt 16 des magnetischen Rückschluss 14 ist ein Arbeitsluftspalt 25 ausgebildet. Bei Bereitstellung eines Erregerstroms an der Magnetspule 18 treten magnetische Kräfte auf, die veranlassen, den Anker 12 aus dessen einen Endstellung, in die die Druckfeder 19 den Anker 12 zwingt, in eine eingefahrene Endstellung gezogen zu werden, welche in den Figuren la und b dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Magnetventil 10 hat einen pneumatischen Eingang 31 und ein pneumatischen Ausgang 33, welches durch ein Ventilglied 35 geöffnet und geschlossen werden kann. In der in den Figuren la und lb dargestellten Endstellung ist eine pneumatische Verbindung zwischen den Kanälen 31, 35 getrennt. Die Endstellungen werden durch die sich gegenüberliegenden Ventilsitzanschläge festgelegt. Das Ventilglied 35 ist fest mit dem Anker 12 verbunden, insbesondere aus einem Stück magnetisierbarem Material gefertigt.
Eine in den Figuren la und lb nicht näher dargestellte Steuerungselektronik bestromt die Spule 18, wodurch der pneumatische Eingang/Ausgang (31,33) gestellt werden kann. Die nicht näher dargestellte Steuerungselektronik kann Teil eines pneumatischen Stellungsreglers sein, der Teil eines pneumatischen Antriebs einer prozesstechnischen Anlage ist.
An der Außenseite, nämlich an der Stirnseite 9, des Körpers des magnetischen Rückschluss 14 ist ein Profilsprung in Form einer Nut 20 ausgebildet, die sich gemäß Figur la konzentrisch zur Längsachse A der translatorischen Bewegung des Ankers 12 erstreckt. Die Nut 20 ist umlaufend ausgebildet.
Gemäß der Ausführung nach Figur lb kann die umlaufende Nut 20 auch an der Umfangsseite 21 des magnetischen Rückschlusses 14 ausgebildet sein. In beiden Ausführungen bildet die Nut 20 eine Schwächung des Magnetkörpers des Rückschlusses 14. Damit ist der magnetische Widerstand innerhalb des magnetischen Rückschlusses 14 erhöht.
Ein Magnetfeldsensor 22 ist in der Nut 20 angeordnet. Der Sensor 22 erfasst einen magnetischen Fluss in der Nut 20, um eine Position des Ankers 12 zu ermitteln. In einem Beispiel ist die Nut 20 eine im Querschnitt rechteckige Ausnehmung mit 2 sich gegenüberliegenden Seitenwänden und einen Bodenabschnitt. Wie in den Figuren la und lb ersichtlich ist, besteht ein Luftspalt zwischen dem Sensor 20 und einer der Seitenwände und dem Bodenabschnitt. Weitere Ausnehmungen wie z.B. eine bogenförmige Ausnehmung sind ebenfalls denkbar.
Es ist in den Figuren la, b gezeigt, dass der Anker 12 mit einem Kernabschnitt 16 des Rückschlusses 14 über die Druckfeder 19 verbunden ist, wobei zwischen dem Anker 12 und dem Kernabschnitt 16 der Arbeitsluftspalt 25 gebildet ist. Der Rückschluss 14 ist beispielhaft als eine die Spule 18 und den Anker 12 einhausende Ummantelung ausgebildet. Der Kernabschnitt 16 ist dabei vorzugsweise als integraler Bestandteil des Rückschlusses 14 gebildet und entlang einer Symmetrieachse A des Magnetventils 10 angeordnet. Der Kernabschnitt 16 ist dabei als ein in Richtung des Ankers 12 hineinragender Abschnitt der Rückschlusses 14 ausgebildet. Eine Stirnseite des Ankers 12 und die Stirnseite des Kerns 16 sind gegenüberliegend angeordnet und entlang der Symmetrieachse des Magnetventils 10 ausgerichtet. Die Größe des Arbeitsluftspalts 25 variiert durch das teilweise Ein- und Ausfahren des Ankers 12 in und aus dem durch den Rückschluss 14 gebildeten Raum. Der Anker 12 ist bei nicht-anliegendem Magnetfeld durch das Federelement 19 in die ausgefahrene Stellung gedrückt. Der Anker 12 ist bei anliegendem Magnetfeld in eine eingefahrene Stellung gestellt. In einem Beispiel ist der Anker 12 translatorisch entlang einer Längsrichtung des Ankers und/ oder entlang einer Symmetrieachse des Magnetventils 10 von der eingefahrenen Stellung in die ausgefahrene Stellung bewegbar. In einem hier gezeigten Beispiel betätigt der Anker 12 das Ventilglied 35 (Verschlussorgan). Das Verschlussorgan, welches direkt an dem Magnetanker angebunden ist, wird nach oben gezogen und verschließt den oberen Sitz des Ventils (hier beispielhaft 3/2 Wegeventil). Bei Abschalten des Erregerstroms liegt kein Magnetfeld an, und das Federelement 19 drückt den Anker 12 zurück in seine Ausgangslage, z.B. in die ausgefahrene Stellung und das Verschlussorgan 35 verschließt den unteren Sitz.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Magnetventil 10 eine Steuerungselektronik 24 auf. In Fig. 2 ist ein schematischer Schaltkreis der Steuerungselektronik 24 gezeigt. Die Steuerungselektronik 24 ist derart ausgestaltet, einen Anziehstrom oder einen Haltestrom als Erregerstrom an die Spule 14 abzugeben. Der Anziehstrom ist derart festgelegt, um den Anker 12 in die eingefahrene Stellung zu bewegen. Der Haltestrom, nachdem sich der Anker 12 in der eingefahrenen Stellung befindet, ist derart eingestellt, um den Anker 12 in der eingefahrenen Stellung zu halten. Der Haltestrom ist dabei niedrigerer als der Anziehstrom. Die Steuerungselektronik 24 regelt den Erregerstrom in der Weise, dass zum Anziehen als auch zum sicheren Halten des Ankers 12 der jeweils nötige Strom an der Spule 18 anliegt. Dadurch kann der Stromverbrauch des Magnetventils 10 reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugen Ausführungsform ist die Nut 20 derart dimensioniert, dass der Rückschluss 22, vorzugsweise Eisenrückschluss, im Bereich der Ausnehmung 20 bei angelegtem Erregerstrom in einem magnetischen Sättigungszustand ist, vorzugsweise gerade so eben die Grenze des Sättigungszustands überschreitet, wenn der Anker 12 in der eingefahrenen Stellung gehalten ist, siehe Fig. 3a. Der Sättigungszustand des magnetischen Rückschlusses 14 beschreibt den Zustand, dass ein Teil der magnetischen Feldlinien aus dem Material des Rückschlusses 14 austreten. In Fig. 3b ist der Arbeitsluftspalt 25 groß, der Anker 12 ist also abgefallen, wobei der Erregerstrom bzw. der Haltestrom weiterhin anliegt. Der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises hat sich durch die Luftspaltvergrößerung erhöht. Dadurch wird die Nut 20, wie in Fig. 3b gezeigt, weniger durchflutet, d.h. der ferromagnetische Rückschluss 14 ist nun nicht mehr in der Sättigung und kann den magnetischen Fluss vollständig führen. Somit geht der Feldlinienanteil im Luftbereich der Nut 20 gegen Null, bzw. wird deutlich geringer. In der Bildaufnahme der Simulation in Fig. 3b detektiert der Sensor gerade noch i,7mT. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, weist die Steuerungselektronik 24, wie in Fig. 2 angedeutet, einen Widerstand 26, vorzugsweise Shunt-Widerstand, einen Komparator 28, und einem Transistor 32, vorzugsweise MOSFET, auf, um den Erregerstrom in der Spule 18 auf den Haltestrom zu regeln. Dabei kann der zur Spule 18 in Reihe geschaltete Widerstand 26 einen zum Erregerstrom proportionalen Spannungsabfall erzeugen. Bei Anliegen des Anziehstroms als Erregerstrom erreicht der Spannungsabfall an dem Widerstand 26 einen Schwellwert, der in dem Komparator 28 festlegbar ist. Der Komparator 28 unterbricht den Stromfluss in der Spule 18 über den Transistor 32 in Richtung Masse bei Erreichen dieses Schwellwerts. Eine mit der Spule geschaltete Freilaufdiode 30 führt den Strom in der Spule 18 ab, wenn der Komparator 28 den Stromfluss unterbricht. Der Transistor 32 schließt nach einer festgelegten Zeit, vorzugsweise im Bereich von wenigen Mikrosekunden, selbstständig, sodass der Stromfluss von der Spule 18 in Richtung Masse wieder ansteigt und bei Erreichen des Schwellwerts wieder vom Komparator 28 unterbrochen wird. Der Schwellwert ist in dem Komparator 28 für die Regelung von einem Anziehstrom auf einen Haltestrom auf einen niedrigeren Schwellwert regelbar, sodass der Erregerstrom in der Spule 18 auf den gewünschten Haltestrom regelbar ist.
Die Steuerungselektronik 24 kann auch als Leistungselektronik bezeichnet werden. Die Steuerungselektronik 24 befolgt dabei eine Schaltlogik, die der Spule 18 einen Anziehstrom aufprägt, bis der Anker 12 seinen Zustand wechselt und der Sensor 22 das Zustandssignal an eine Steuerlogik 36 (wie ein Mikrorechner)„Anker angezogen“ ausgibt. Der Anziehstrom kann auch als Peak-Strom bezeichnet werden. Ist der Anker 12 angezogen, so senkt die Steuerungselektronik 24 den Strom nach einer gewissen Zeit ab und prägt der Spule den Haltestrom auf. Der Haltestrom kann auch als Hold-Strom auf. Durch die Überwachung der Anker-Stellung und die Regelung des Spulenstroms auf ein niedriges Niveau kann eine sehr große Energieeinsparung realisiert werden, ohne den regulären Ventilbetrieb zu gefährden.
Das Wirkprinzip von Peak- und Holdstrom basiert auf der Schaltreglerart „Abwärtswandler“. Ein in Reihe zur Spule 34 geschalteter Shunt-Widerstand 26 erzeugt einen zum Erregerstrom proportionalen Spannungsabfall. Steigt nach Anlegen einer Versorgungsspannung der Erregerstrom in der Spule 18 an, so erreicht der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand 26 eine gewisse obere Grenze, welche über eine Komparatorschaltung festgelegt und erfasst wird. Der Komparator 28 unterbricht bei Erreichen dieses Schwellwertes über den Transistor 32 bzw. den elektronischen Schalter (z.B. ein MOSFET Schalter) den Stromfluss durch die Spule 18 in Richtung Masse. Da der Strom durch die Spule 18 nicht abrupt stoppt, wird er gezielt über eine Freilaufdiode 30 weitergeführt. Nach einer festgelegten Zeit von wenigen Mikrosekunden schließt die Steuerlogik 36 der Steuerungselektronik 24 den elektrischen Schalter wieder und der bis dahin über die Freilaufiode 30 fließende Strom in der Spule 18 fließt wieder in Richtung Masse. Dadurch steigt der Strom solange an, bis die Spannung am Shunt-Widerstand 26 die Komparatorschwellspannung erreicht und der MOSFET wieder die Verbindung in Richtung Masse unterbricht. Dieser Vorgang wiederholt sich nun, wodurch der Strom in der Spule 18 auf einem rippelbehafteten, konstanten Strom gehalten wird.
Durch Veränderung der Komparatorschwellspannung kann während des Betriebs des Ventils 10 die Höhe des Spulenstromes bzw. Erregerstroms variiert werden. Wird die Schwellspannung des Komparators 28 niedriger, so regelt die Steuerungselektronik 24 effektiv einen niedrigeren Strom in der Spule 18. Durch geschickte Verschaltung kann somit erreicht werden, dass nach dem ersten Bestromen der Schaltung ein Anziehstrom (Peak-Strom) geregelt wird, der dazu führt, dass der Ventilanker 12 sicher in den Zustand„Anker angezogen“ übergeht. Ist dieser Zustand nach einer gewissen Zeit erreicht, so fährt die Steuerungselektronik 24 den Strom gezielt auf den Haltestrom herunter, wodurch die von der Spule 18 aufgenommene Leistung reduziert wird.
Gleichzeitig kann die elektronische Verschaltung der Steuerungselektronik 24 auch so erfolgen, dass der - wie oben bereits beschriebene - Sensor 22 ausgewertet wird. Gibt der Sensor 22 das zweite Signal„Anker abgefallen“ an die Steuerlogik 36 aus, so erhöht die Elektronik die Schwellspannung des Komparators 28 auf den Anziehstrom und erreicht damit, dass der Anker 12 in den Zustand , nker angezogen“ übergeht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nimmt eine Ansteuer-Leiterplatine der Steuerungselektronik 24 den Magnetfeldsensor 22 direkt auf. Der Magnetfeldsensor 22 ist derart angeordnet, dass dieser in die Nut 20 hineinragt, wie in Fig. la schematisch dargestellt. Dadurch ist es möglich den Sensor 22 direkt an der Außenseite des Magnetventils 10 und ohne zusätzliche Verbindungselemente direkt auf eine Ansteuer- Leiterplatine 40 der Steuerungselektronik 24 anzuordnen. Der Sensor 22 wird dabei beispielsweise wie die Steuerungselektronik 24 über die Eingangsspannung versorgt. Komplizierte Gehäusestrukturen und Kabeldurchführungen innerhalb des Magnetventils 10 können dadurch vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln eines Magnetventils 10 vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist: Betätigung des Magnetventils 10 mit einem Anziehstrom, um einen Anker 12 des eine eingefahrene Stellung zu bewegen. Betätigen des Magnetventils 10 mit einem Haltestrom, um den Anker 12 in der eingefahrenen Stellung zu halten, wobei der Haltestrom niedrigerer als der Anziehstrom ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Detektieren durch einen Sensor, vorzugsweise Magnetfeldsensor 22, dass der Anker 12 sich in einem angezogenen Zustand oder gehaltenen Zustand in der eingefahrenen Stellung befindet, und daraufhin Ausgeben eines ersten Signals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Detektieren eines Abfalls des Ankers 12 in Richtung einer ausgefahrenen Stellung durch den Sensor, und daraufhin Ausgeben eines zweiten Signals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Anlegen des Anziehstroms durch die Steuerungselektronik 24, sodass die Spule 18 mit dem Anziehstrom erregbar ist und der Anker 12 wieder in die eingefahrene Stellung angezogen wird. Betätigen des Magnetventils 10 mit dem Haltestrom, um den Anker 12 in der ersten Stellung zu halten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf: Erfassen durch die Steuerungselektronik 24, ob der Anziehstrom und das zweite Signal anliegen, und daraufhin signalisieren, dass sich der Anker in einer blockierten Stellung befindet.
In einem weiteren Beispiel kann das Magnetventil 10 auch als Seismograph fungieren, indem die Anker-Federelement-Einheit als Feder-Masse-System betrachtet wird sowie der Sensor, vorzugsweise Hall-Sensor zum Detektieren der Schwingungen, und die Regelungseinheit zur Verarbeitung/Wandlung des Signals und weiter zur Signalauswertung genutzt wird.
Die oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden. Insbesondere können auch Aspekte des Verfahrens für Ausführungsformen der Vorrichtungen sowie Verwendung der Vorrichtungen verwendet werden und umgekehrt.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließt. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste
9 Stirnseite
10 Magnetventil
12 Anker
14 Rückschluss
16 Kernabschnitt
17 Aussparung
18 Magnetspule
19 Druckfeder
20 Nut
21 Umfangsseite
22 Magnetfeldsensor
23 Führungszylinder
25 Wickelkörper
26 Shunt-Widerstand 28 Komparator
30 Freilaufdiode
31 pneumatischer Eingang
32 Transistor
33 pneumatischer Ausgang
35 Ventilglied
36 Steuerlogik
40 Elektronik- Platine

Claims

ANSPRÜCHE
1. Magnetventil (10) insbesondere für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage eingesetzt ist, umfassend: eine insbesondere ringförmige Magnetspule (18);
einen eine Magnetspule (18) aufnehmenden, magnetischen Rückschluss (14) aus einem magnetisierbaren Material, an dessen Innenseite ein Anker (12) beweglich angeordnet ist und dessen Außenseite die Magnetspule (18) zumindest teilweise umgibt;
einen Magnetfeldsensor (22), insbesondere einen Hallsensor, zum Erfassen, insbesondere Messen, der magnetischen Flussdichte;
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass an der Außenseite des magnetischen Rückschlusses (14) ein Profilsprung, wie eine Profilvertiefung, beispielsweise eine Nut (20), ausgebildet ist, wobei im Bereich des Profilsprungs der Magnetfeldsensor (22) angeordnet ist.
2. Magnetventil (10) nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Profilsprung als eine Profilvertiefung, wie eine Nut (20), ausgeführt ist, wobei insbesondere zwischen dem in der Profilvertiefung (20) angeordneten Magnetfeldsensor (22) und einer Wandung der Profilvertiefung (20) ein Luftspalt vorliegt und/oder dass die Profilvertiefung (20) sacklochförmig und/oder umlaufend in dem magnetischen Rückschluss (14) eingebracht ist und/oder ein Messpunkt des Magnetfeldsensor (42) innerhalb der Profilvertiefung angeordnet ist , wobei insbesondere der Magnetfeldsensor (22) derart angeordnet ist, dass dieser in die Profilvertiefung hineinragt.
3. Magnetventil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Magnetfeldsensor (22) dazu ausgelegt ist, ein Über- und/oder Unterschreiten einer vorbestimmten Magnetfeldstärke, wie eine Magnetventil- Schaltschwelle (Anker angezogen/ Anker abgefallen) zu erfassen, um je nachdem ein entsprechendes Zustandssignal, wie ein Überschreitungssignal oder ein Unterschreitungssignal, insbesondere an eine Steuerungselektronik (24) abgeben kann, die vorzugsweise eine Bestromung der Magnetspule (18) veranlasst; und/oder dass der Magnetfeldsensor dazu ausgelegt ist, anhand eines magnetischen Fluss im Bereich der Profilvertiefung (20) die Position des Ankers (12) insbesondere längs dessen translatorischen Stellwegs zu ermitteln.
4. Magnetventil (10) nach Anspruch 1,
wobei der Anker (12) sich an dem Rückschluss (14), insbesondere einem Kern (16) des Rückschluss (14) über ein Federelement (19) abstützt und insbesondere in einer Endstellung des Magnetventils (10) zwischen dem Anker (12) und dem Kern (16) ein Arbeitsluftspalt (25) gebildet ist, dessen Größe durch das Ein- und Ausfahren des Ankers (12) in einer translatorischen Stellrichtung (A) variiert; und/oder
wobei der Anker (12) durch ein Federelement (19) bei nicht-anliegendem Magnetfeld in eine ausgefahrene Endstellung gezwungen ist;
wobei der Anker (12) bei anliegendem Magnetfeld in eine eingefahrene Stellung von dem Kern (16) magnetisch angezogen ist.
5. Magnetventil (10) nach eine der vorstehenden Ansprüche, wobei es eine Steuerungselektronik (24) umfasst, die dazu ausgelegt ist, einen Anzugstrom oder einen Haltestrom als Erregerstrom an die Magnetspule (18) abzugeben, wobei insbesondere der Anzugstrom derart eingestellt ist, dass sich der Anker (12) in die insbesondere eingefahrene Endstellung bewegt;
wobei insbesondere die Steuerungselektronik (24) dazu ausgelegt ist, einen Haltestrom als Erregerstrom an die Magnetspule (18) abzugeben, sobald sich der Anker (12) in einer insbesondere eingefahrenen Endstellung befindet, wobei insbesondere der Haltestrom derart eingestellt ist, dass er niedriger als der Anzugstrom ist und/oder den Anker in der insbesondere eingefahrenen Endstellung hält, und/oder
eine Ansteuer-Leiterplatine der Steuerungselektronik (24) den Magnetfeldsensor (22) direkt aufnimmt.
6. Magnetventil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Profilsprung derart dimensioniert ist, dass der Rückschluss (14), vorzugsweise ein Eisenrückschluss, im Bereich des Profilsprungs bei angelegtem Erregerstrom in einem magnetischen Sättigungszustand ist, vorzugsweise geringfügig die Grenze des Sättigungszustands überschreitet, um insbesondere den Anker (12) in der insbesondere eingefahrenen oder ausgefahrenen Endstellung zu verbringen oder zu halten.
7. Magnetventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Magnetfeldsensor (22) dazu ausgebildet ist, den Sättigungszustand in dem Profilsprung zu erfassen und ein erstes Signal auszugeben, vorzugsweise um zu signalisieren, dass der Anker (12) sich in einem angezogenen Zustand oder gehaltenen Zustand in der eingefahrenen Stellung befindet, und/oder der Magnetfeldsensor (22) dazu ausgebildet ist, zu erfassen, ob ein
Sättigungszustand im Bereich des Profilvorsprungs vorliegt, und ein zweites Signal auszugeben, vorzugsweise um zu signalisieren, dass der Anker (12) in Richtung der ausgefahrenen Stellung abfällt.
8. Elektronische Steuerung (24) zum Bestätigen eines insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Magnetventils (10) insbesondere für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage eingesetzt ist, wobei das Magnetventil (10) zwischen einen Ein-Schaltzustand und einen Aus-Schaltzustand verbracht werden kann; umfassend einen Versorgungsausgang zum Anlegen eines Erregerstroms an einer Spule (18) des Magnetventils (10), um das Magnetventil (10) von dem Aus-Schaltzustand in den einen Ein-Schaltzustand zu verbringen;
einen Schaltregler zum Einstellen des Erregerstroms an der Spule (18), wobei der Schaltregler dazu ausgelegt ist, beim Verbringen in den Ein-Schaltzustand einen Anzugstrom an der Spule (18) des Magnetventils (10) anzulegen und zum anschließenden Halten des Ein-Schaltzustand einen Haltestrom an der Spule (18) angelegt, der niedrigerer als der Anzugstrom ist.
9. Elektronische Steuerung (24) nach Anspruch 8, wobei sie einen Sensor, insbesondere einen Magnetfeldsensor (22), zum Erfassen, ob das Magnetventil
(10) eine spezifische Schaltzustand, wie den Ein-Schaltzustand, erreicht hat, aufweist, wobei der Sensor von einer an der elektronischen Steuerung (24) anliegenden Eingangsspannung elektrisch versorgt ist und/oder der Sensor in einer Vertiefung, wie einer Nut (20), eines Metallkörpers, wie eines Jochs, des magnetischen Rückschluss (18) angeordnet ist, und/oder sie eine Leiterplatte für Leistungselektronik des Schaltregler umfasst, wobei der auf der Leiterplatte befindliche Magnetsensor in einer Vertiefung, wie einer Nut (20), eines Metallkörpers, wie ein Joch, des magnetischen Rückschluss (18) angeordnet ist.
10. Elektronische Steuerung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schaltregler (24) einen in Reihe zu der Spule (18) geschalteten Widerstand (26), vorzugsweise Shunt-Widerstand, der dazu eingerichtet ist, einen dem Anstieg des an der Spule (18) angelegten Stroms im Wesentlichen entsprechenden
Spannungsabfall zu erzeugen, einen Komparator (28), der den Spannungsabfall an dem Widerstand (26) bezüglich eines Schwellenwerts überwacht, einen Transistor (32), vorzugsweise einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der bei Erreichen dieses Schwellwerts den Stromfluss zur Spule (18) unterbricht, und eine insbesondere mit der Spule parallel geschaltete Freilaufdiode (30) den Strom in der Spule (18) abführt, wenn der Komparator (28) den Stromfluss unterbricht;
wobei insbesondere der Transistor (32) nach einer festgelegten Zeit, vorzugsweise im Bereich von wenigstens einer Mikrosekunde, vorzugsweise selbstständig schließt, sodass insbesondere der Stromfluss von der Spule (18) in Richtung Masse wieder ansteigt, wobei insbesondere bei Erreichen des Schwellwerts wieder vom Komparator (28) unterbrochen wird;
wobei vorzugsweise der Schwellwert in dem Komparator (28) für die Regelung von einem Anziehstrom auf einen Haltestrom auf einen niedrigeren Schwellwert regelbar ist, sodass der Erregerstrom in der Spule (18) auf den gewünschten Haltestrom regelbar ist.
11. Elektronische Steuerung (24) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die entsprechend den Schritten des nach einem der Ansprüche 12 bis 14 definierten Verfahrens zum Steuern eines Magnetventils (10) verfährt.
12. Verfahren zum Steuern eines insbesondere nach einem der Ansprüche 1-7 ausgebildeten Magnetventils insbesondere für einen elektropneumatischen Antrieb, der insbesondere in einer prozesstechnischen Anlage eingesetzt ist, wobei:
das Magnetventil (10) von einem Ein-Schaltzustand in einen Aus-Schaltzustand verbracht werden kann; zum Verbringen des Magnetventils (io) von dem Aus-Schaltzustand in den einen Ein-Schaltzustand ein Anzugstrom an einer Spule (18) des Magnetventils (io) angelegt wird;
in dem Ein-Schaltzustand der Anzugstrom eine Anziehzeit lang an der Spule (18) angelegt bleibt und nach der Anziehzeit ein Haltestrom an der Spule (18) angelegt wird, der niedrigerer als der Anzugstrom ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei:
während des Anliegens des Haltestroms an der Spule (18) mittels eines Sensors, vorzugsweise eines Magnetfeldsensors (22), der Ein-Schaltzustand des Magnetventils (10) überwacht wird, ob das Magnetventil (10) den Ein- Schaltzustand verlässt, und, sollte das Magnetventil (10) den Ein-Schaltzustand verlassen, der Anzugstrom an der Spule (18) angelegt wird, wobei insbesondere das Verlassen des spezifischen Schaltzustands des Magnetventils (10) durch Detektieren einer Erhöhung eines magnetischen Widerstands des Magnetmetallkreises im Bereich des magnetischen Rückschluss (14) des Magnetventils, insbesondere im Bereich einer Schwächung, wie einer Vertiefung, beispielsweise einer Nut (20), in einem Metallkörper des magnetischen Rückschlusses (14) ermittelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei:
der Haltestrom erst dann angelegt wird, wenn ein spezifischer Schaltzustand des Magnetventils (10) , vorzugsweise der Ein-Schaltzustand, erreicht wird, wobei insbesondere das Erreichen des spezifischen Schaltzustands mittels eines Sensors, insbesondere ein Magnetfeldsensor (22), erfasst wird, der insbesondere die Stärke eines Streufelds eines an einer Außenseite (9, 21) eines Metallkörpers eines Rückschluss (18) des Magnetventil (10) detektieren kann, und/oder
bei Anliegen des Haltestroms dann der Anzugstrom an der Spule (18) erneut angelegt wird, wenn eine von dem spezifischen Schaltzustand insbesondere vorab bestimmte Abweichung des Magnetventil (10), vorzugsweise von dem Ein-Schaltzustand, insbesondere von einem Sensor, wie einem Magnetfeldsensor (22), erfasst wird. 15· Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 14, wobei ein Anker (12) des Magnetventils (10) in eine eingefahrene Stellung, wie eine Offen-Stellung, verbracht werden soll, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte enthält: Detektieren eines Abfalls des Ankers in Richtung einer ausgefahrenen Stellung insbesondere durch einen Sensor, wie einen Magnetfeldsensor (22), und daraufhin
Ausgeben eines Anzugstrom-Signals an die Spule des Magnetventil (10) und/oder an eine elektronische Steuerung (24) zum Anlegen des Anzugstroms an der Spule (18), und/oder
Detektieren des Erreichens und oder des Verbleibens des Ankers (12) in der eingefahrenen Stellung und daraufhin Ausgeben eines Haltestrom-Signals an die Spule (18) des Magnetventil (10) und/oder an die elektronische Steuerung (24) zum Anlegen des Haltestroms an der Spule (18). 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, ferner aufweisend die Schritte:
Erfassen insbesondere durch die elektronische Steuerung (24), ob der Anzugstrom und das gegebenenfalls das Haltestrom-Signal anliegen, und daraufhin
Signalisieren, dass sich der Anker (12) in der eingefahrenen Stellung befindet.
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