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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilsteuerkopf für Prozessventile.
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Ventile sind ein wesentliches Steuer-und Regelelement in der Prozess- und Automatisierungsindustrie. Aus Gründen der Betriebssicherheit sowie der Prozesssteuerung ist es von besonderer Bedeutung, die Stellung eines Ventils und damit verbunden die Position eines Ventilschließteils in einem Ventil zu kennen. Prozessventile besitzen mindestens ein Ventilschließteil, komplexere Prozessventile besitzen häufig zwei Ventilschließteile, um mehrere Fluidströme steuern zu können.
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Um eine Position der Ventilschließteile überwachen zu können, werden üblicherweise Initiatoren seitlich am Prozessventil angebracht. Diese müssen über ein Kabel mit dem Steuerkopf verbunden werden, was hinsichtlich des benötigten Bauraums ungünstig ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ventilsteuerkopf anzugeben, welcher eine besonders einfache Erfassung mehrerer Ventilstellungen ermöglicht. Gleichzeitig soll der Ventilsteuerkopf modular aufgebaut werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ventilsteuerkopf, umfassend ein Gehäuse, eine Steuerelektronik, mindestens ein Steuerventil, Fluidanschlüsse, elektrische Anschlüsse, ein mit einem ersten Ventilschließteil starr gekoppeltes erstes Messobjekt und ein Positionsmesssystem, umfassend eine Messelektronik und einen ersten Positionssensor, wobei der erste Positionssensor eine Position des ersten Messobjekts erfassen kann, und wobei der Ventilsteuerkopf eine Befestigungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um einen zweiten Positionssensor anzukoppeln.
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Mit einem derart ausgebildeten Ventilsteuerkopf kann zuverlässig die Position eines Ventilschließteils erfasst werden. Durch die Möglichkeit, einen zweiten Positionssensor anzubringen, kann auch bei Prozessventilen mit zwei Ventilschließteilen eine zuverlässige Positionsüberwachung stattfinden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Zwei-Weg-Messsystemen. Außerhalb des Steuerkopfes angebrachte Initiatoren können entfallen, sodass der Steuerkopf kostengünstig und bauraumoptimiert ausgebildet ist.
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Die modulare Bauweise ermöglicht es außerdem, bei der Fertigung des Ventilsteuerkopfes viele Gleichteile zu nutzen.
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Die Ventilschließteile sind vorzugsweise jeweils mit einer Spindel fest verbunden, wobei bei Prozessventilen mit zwei Ventilschließteilen eine Spindel als Hohlspindel ausgebildet ist, die konzentrisch zur ersten Spindel angeordnet und unabhängig von der ersten Spindel beweglich ist. Die Ventilschließteile können auch einteilig mit den Spindeln ausgebildet sein.
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An den Spindeln, insbesondere an einem in den Ventilsteuerkopf ragenden Ende der Spindeln, ist jeweils ein Messobjekt befestigt. Folglich sind die Ventilschließteile über die Spindeln mit den Messobjekten gekoppelt, und zwar derart, dass eine Bewegung eines Ventilschließteils eine korrespondierende Bewegung des Messobjekts zur Folge hat.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein zweites Messobjekt zusammen mit dem Positionssensor an den Ventilsteuerkopf gekoppelt werden. Dazu kann der Positionssensor Vorsprünge aufweisen, über die das Messobjekt an dem Positionssensor gehalten ist. Über das zusätzliche Messobjekt wird auch eine zusätzliche Spindel, insbesondere eine Hohlspindel, an den Ventilsteuerkopf gekoppelt.
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Die Befestigungseinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform eine Steckvorrichtung umfassen. Über die Steckvorrichtung kann ein zweiter Positionssensor durch einfaches Anstecken an dem Ventilsteuerkopf angebracht werden und elektrisch mit der Messelektronik verbunden werden. Zu diesem Zweck kann die Steckvorrichtung als Buchse ausgebildet sein, in die ein am zweiten Positionssensor angeordneter Stecker eingesteckt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Befestigungseinrichtung mechanische Verbindungsmittel aufweisen, zum Beispiel mindestens ein Rastelement und/oder einen Schnappverschluss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Positionsmesssystem mit einem elektrischen Umschalter, insbesondere mit einem Mulitplexer, ausgestattet. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass große Teile der Messelektronik von beiden Positionssensoren genutzt werden können, wenn ein zweiter Positionssensor an dem Steuerkopf angebracht ist. Somit kann die Messelektronik für den Steuerkopf besonders kostengünstig sein. Um die Messelektronik möglichst einfach zu halten, sollten beide Positionssensoren nach dem gleichen Messprinzip arbeiten.
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Damit beide Positionssensoren Teile der Messelektronik gemeinsam nutzen können, kann der jeweilige Positionssensor durch den elektronischen Umschalter wahlweise zur Messelektronik durchschaltbar sein. Auf diese Weise können die Positionen von zwei Ventilschließteilen mit nur einer Messschaltung gemessen werden.
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Je nach Typ des Positionssensors kann eine individuelle Signalvorverarbeitungseinrichtung notwendig sein. Da die Signalvorverarbeitungseinrichtung sensorabhängig ist, wird sie vorzugsweise zwischen den Positionssensoren und dem Umschalter zwischengeschaltet.
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Der zweite Positionssensor ist vorzugsweise außerhalb des Gehäuses ankoppelbar. Dies hat den Vorteil, dass nicht unnötig Platz für ein zu groß ausgelegtes Gehäuse vorgesehen werden muss, wenn der zweite Positionssensor gar nicht montiert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Steuerkopf ein Zusatzgehäuse umfassen, wobei der zweite Positionssensor in dem Zusatzgehäuse angeordnet ist. Das Zusatzgehäuse kann fest oder lösbar an dem Gehäuse des Ventilsteuerkopfes befestigt sein. Insbesondere kann das Zusatzgehäuse nur dann angebracht werden, wenn der zweite Positionssensor an dem Ventilsteuerkopf befestigt werden soll. Um das Zusatzgehäuse zu befestigen, können mechanische Befestigungsmittel, beispielsweise Rastelemente, vorgesehen sein. Alternativ kann das Zusatzgehäuse verschraubt oder verklebt werden.
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Das Zusatzgehäuse kann außerdem dazu dienen, den Ventilsteuerkopf auf einem hydraulischen oder pneumatischen Ventilantrieb zu befestigen.
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Die Positionssensoren können jeweils eine Messspule umfassen. Mit einer Messspule kann die Position eines Ventilschließteils, insbesondere die Position eines an dem Ventilschließteil befestigten Messobjekts zuverlässig erfasst werden. Beispielsweise sind die Positionssensoren als Hall-Sensoren ausgebildet.
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Das Messobjekt ist vorzugsweise als elektrisch und/oder magnetisch leitender, ferromagnetischer Kern ausgebildet und kann als Geber oder als Target ausgeführt sein.
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Die Positionssensoren können eine im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt haben. Durch diese Form können sich die Positionssensoren besonders gut in den Ventilsteuerkopf integrieren lassen. Insbesondere können die Positionssensoren konzentrisch zu den Spindeln angeordnet sein.
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Die Positionssensoren weisen vorzugsweise einen Raum zur Aufnahme der Messobjekte auf. So können die Messobjekte innerhalb der Positionssensoren geführt sein, derart dass durch eine Bewegung der Messobjekte eine Messspannung induziert wird. Besonders bevorzugt liefern die Positionssensoren ein sich stetig änderndes Ausgangssignal, sodass unterschiedliche Ventilstellungen erfasst werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Ventilsteuerkopf für ein Prozessventil und
- - 2 ein Schaltbild der Messelektronik eines erfindungsgemäßen Ventilsteuerkopfes.
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1 zeigt schematisch einen Ventilsteuerkopf 10, der zur Steuerung eines Prozessventils ausgebildet ist. Der Ventilsteuerkopf 10 umfasst ein Gehäuse 12, und eine darin angeordnete Steuerelektronik 14, elektrische Anschlüsse 16, fluidische Anschlüsse 18 und Steuerventile 20.
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Der Ventilsteuerkopf 10 umfasst außerdem zwei Messobjekte 22, 24, die an zwei Spindeln 26, 28 eines Prozessventils befestigt sind, sodass sich die Messobjekte 22, 24 mit den Spindeln 26, 28 mit bewegen. Dabei ist eine Spindel 28 als Hohlspindel ausgebildet, welche konzentrisch zur ersten Spindel 26 angeordnet ist und sich unabhängig von dieser bewegen kann.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Ventilsteuerkopf 10 lediglich ein Messobjekt 22 und eine Spindel 26 aufweisen.
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An den Enden der Spindeln 26, 28 kann jeweils ein Ventilschließteil angeordnet sein. Wenn die Ventilschließteile an einem Ventilsitz eines Prozessventils anliegen, kann ein Fluidfluss durch das Prozessventil blockiert sein. Sind die Ventilschließteile zum Ventilsitz beabstandet, kann ein Fluidfluss stattfinden.
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An die fluidischen Anschlüsse 18 können Fluidleitungen angeschlossen werden, um das Ventil pneumatisch oder hydraulisch anzutreiben. Derartige Ventilantriebe sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, daher wird an dieser Stelle nicht weiter auf den Antrieb eingegangen. Ein Ventilantrieb 30 ist lediglich schematisch angedeutet.
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Über ein Positionsmesssystem 32 des Ventilsteuerkopfes 10 kann die Position der Messobjekte 22, 24 erfasst werden. Zu diesem Zweck weist das Positionsmesssystem 32 einen ersten Positionssensor 34 und einen zweiten Positionssensor 36 auf. Die Positionssensoren 34, 36 haben eine im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt und umfassen jeweils eine Messspule 38, 40. Sie sind entlang einer Längsrichtung des Ventilsteuerkopfes 10 hintereinander angeordnet, wobei eine Längsrichtung des Ventilsteuerkopfes 10 einer Bewegungsrichtung der Spindeln 26, 28 entspricht. Innerhalb der Messspulen 38, 40 weisen die Positionssensoren 34, 36 einen Raum 42, 44 zur Aufnahme der Messobjekte 22, 24 auf.
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Die Messobjekte 22, 24 weisen einen elektrisch und/oder magnetisch leitenden, ferromagnetischen Kern auf. Folglich kann die Position der Messobjekte 22, 24, und damit auch die Position der Spindeln 26, 28 und der mit den Spindeln 26, 28 verbundenen Ventilschließteilen, mittels des Positionsmesssystems 32 in bekannter Weise durch elektromagnetische Induktion ermittelt werden. Die Ventilschließteile sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.
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Der zweite Positionssensor 36 ist vorzugsweise lösbar mit dem Ventilsteuerkopf 10 verbunden, insbesondere an dem Ventilsteuerkopf 10 angesteckt. Zu diesem Zweck weist der Ventilsteuerkopf 10 eine Befestigungsvorrichtung 45 auf. Mittels der Befestigungsvorrichtung 45 kann der zweite Positionssensor 36 sowohl mechanisch als auch elektrisch an den Ventilsteuerkopf 10 gekoppelt werden. Die Befestigungsvorrichtung 45 umfasst eine Steckvorrichtung 43 mit elektrischen Kontakten. Der zweite Positionssensor 36 weist entsprechend korrespondierende Steckelemente auf, die zur elektrischen Kontaktierung in die Steckvorrichtung 43 eingreifen. Zusätzlich weist die Befestigungsvorrichtung 45 mechanische Verbindungselemente 47 auf, zum Beispiel Rastelemente. Alternativ kann zur mechanischen Verbindung auch ein Schnappverschluss vorgesehen sein.
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Durch die Befestigungsvorrichtung 45 kann der Ventilsteuerkopf 10 modular aufgebaut sein. Der zweite Positionssensor 36 muss nur dann angesteckt werden, wenn das Prozessventil zwei unabhängig voneinander bewegliche Ventilschließteile aufweist. Dadurch kann der Ventilsteuerkopf 10 kostenoptimiert und bauraumoptimiert gefertigt werden.
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Auch das Gehäuse 12 kann modular erweiterbar sein. Der zweite Positionssensor 36 ist außerhalb des Gehäuses 12 in einem Zusatzgehäuse 46 angeordnet. Das Zusatzgehäuse 46 ist bei Bedarf an dem Gehäuse 12 angebracht, also dann, wenn auch der zweite Positionssensor 36 an den Ventilsteuerkopf 10 gekoppelt ist.
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Um auch eine Messelektronik 48 des Positionsmesssystems 32 möglichst einfach zu gestalten, können die Positionssensoren 34, 36 große Teile der Messelektronik 48 gemeinsam nutzen.
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Dies wird anhand eines in 2 dargestellten Schaltbildes deutlich.
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Um die gemeinsame Nutzung von Teilen der Messelektronik 48 zu ermöglichen, weist das Positionsmesssystem 32 einen Umschalter 50 auf. Dieser kann die Positionssensoren 34, 36 wahlweise der Messelektronik 48 zuschalten. Derartige Umschalter 50 werden auch als Multiplexer oder abgekürzt als MUX bezeichnet. Somit können die Positionen der Messobjekte 22, 24 mit nur einer Messschaltung gemessen werden.
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Je nach Typ der Positionssensoren 34, 36 kann optional eine individuelle Signalvorverarbeitungseinrichtung 52, 54 vorgesehen sein. Da die Signalvorverarbeitungseinrichtung 52, 54 sensorabhängig ist, ist sie zwischen den Positionssensoren 34, 36 und dem Umschalter 50 zwischengeschaltet.
