DE4239635A1 - Verfahren und Einrichtung zur Wegerfassung von Ventilstangenbewegungen elektropneumatischer Stellungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wegmessung von Ventilstangenbetätigungen für elektropneumatische Stellungsregler sowie mehrere Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Wegmeßsysteme zur Erfassung der Ventilstangenbewegung elektropneumatischer Stellungsregler sind im allgemeinen bekannt. Dabei werden zumeist Potentiometer eingesetzt, die über einen entsprechenden mit der Ventilstange gekoppelten Hebelabgriff betätigbar sind. Unter Verwendung von Hebelabgriffen an der Ventilstange sind des weiteren kapazitive Sensoren sowie Differentialtransformatoren zur Erfassung der Ventilstangenbewegung bekannt. Des weiteren sind im Stand der Technik auch induktive Näherungssensoren bekannt, die jedoch nur als reine Positionsschalter dienen. Dabei kann eine Erfassung von Endpositionen erfolgen, nicht aber eine Wegmessung bzw. Registrierung entlang der ganzen Ventilstangenbewegung.

Die Nachteile dieser bekannten Systeme sind vielfältig. Potentiometer sind in der Regel verschleißbehaftet, insbesondere dann, wenn sie im Bereich starker mechanischer Vibrationen eingesetzt werden. Dieser Verschleiß macht sich durch einen zunehmenden Abrieb am Arbeitspunkt des Potentiometers bemerkbar. Die Verwendung von Drehkondensatoren ist sehr teuer, da hierbei aufwendige Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit getroffen werden müssen und außerdem sehr präzise mechanische Lager notwendig sind. Die Verwendung von Differentialtransformatoren ist nachteilig wegen der teuren mechanischen Lagerung, da Querbewegungen des Magneten in der Spule unterdrückt werden müssen. Die zur Versorgung entsprechend notwendige Elektronik ist außerdem zu teuer und hat einen relativ hohen Leistungsverbrauch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wegmessung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern zu schaffen, mit dem die Wegerfassung einfacher und zuverlässiger erfolgen kann, sowie mehrere Einrichtungen zu schaffen, die konstruktiv einfache aber genaue Wegerfassung bzw. Messung ermöglichen.

Hinsichtlich des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Hinsichtlich der Einrichtungen gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 4, 6 und 8 ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 4, 6 und 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Einsatz induktiver Verfahren zur Positionserfassung ist als solches zwar bekannt, jedoch bei der vorliegenden Erfindung eine induktive "Wegerfassung". Der Betrieb üblicher induktiver Meßverfahren erfordert letztendlich am Ausgang bzw. vor Ausgang des Gebers eine Leistungsverstärkung des Signales. Beim vorliegenden Verfahren wird hierauf gezielt verzichtet. Hierbei wird eine HF-Oszillation angeregt, die in ihrer Amplitude durch metallische bzw. elektrisch leitfähige Gegenstände beeinflußbar ist. Unter Verwendung eines Ferritkerns und einer Spule als LC-Resonanzkreis wird durch die HF-Oszillation ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei bei Eintauchen oder Bewegen von metallischen bzw. elektrisch leitfähigen Gegenständen in diesem Feld Wirbelstromverluste entstehen, die die entsprechende Oszillation bedämpfen. Die Schwingungsamplitude dieser Oszillation ist somit ein Maß für die Nähe des Sensors zu einem elektrisch leitfähigen bzw. metallischen Gegenstand. Hierbei ist wesentlich das entsprechend demodulierte Oszillatorsignal ohne weitere Ausgangsverstärkung direkt in den Mikrorechner einzuspeisen. Um die Temperaturabhängigkeit dieses genutzten Effektes zu kompensieren erfolgt gleichzeitig eine Temperaturmessung im Bereich des Sensors. In einem Mikrorechner werden dann die gemessenen Oszillatorsignalamplituden sowie die Temperatur korreliert und der letztendlich darauf beziehbare Abstand des Sensors von einem über die Ventilstange mitbewegten metallischen Mitnehmer erfaßt. Da Mikrorechner generell bei Verwendung von elektropneumatischen Stellungsreglern in Prozeßleitsystemen eingesetzt werden, ist der notwendige Mikrorechner vorhanden. In diesem Mikrorechner können dann, wie dies in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung auch angegeben ist, andere Einflüsse sowie entsprechende Bewegungsvorgaben mitberücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft erweist sich die direkte, d. h. unverstärkte Einspeisung des demodulierten Oszillatorsignales in den Mikrorechner deshalb, weil in diesem Zusammenhang eine direkte Einspeisung in eine Regelung und damit eine Verarbeitung beispielsweise nach dem Fuzzyprinzip möglich ist. Das erfaßte Wegsignal liegt zuverlässig in elektrisch auf Rechnerebene bereits akzeptierbarer Form vor, so daß eine Adaption an softwareunterstützte Regelverfahren extrem einfach möglich ist. Des weiteren ist es auf diese Weise möglich, Nichtlinearitäten der Kennlinie durch eine individuelle Korrektur über beispielsweise einen Tabellenzugriff im Mikrorechner vorzunehmen. Hierdurch werden auch die Einflüsse der an der Messung beteiligten mechanischen Komponenten miterfaßt und ausgeglichen.

Insgesamt ergibt sich für den Betrieb über das vorgegebene erfindungsgemäße Verfahren der Vorteil der auf mechanische Koppelelemente zum Sensor gänzlich verzichtet werden kann. Hierdurch ist insbesondere eine vollständige Kapselung des Sensors ohne translatorische oder rotatorische Durchführung möglich, so daß sich ein besonders schmutz- und umgebungsresistentes System ergibt. Bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen sind verschiedene konstruktive Alternativen vorgegeben. Eine erste besteht darin, den Sensor parallel zur Ventilstange auszurichten und senkrecht dazu ein entsprechend elektrisch leitfähiges Metallelement anzubringen, welches mit der Ventilstange starr verbunden und mit dieser mitbewegend ist. Die Oszillationsamplitude verändert sich dann in Abhängigkeit des Abstandes des mitgeführten metallischen Elementes vom ortsfest angeordneten Wegsensor.

In einer weiteren Ausführung ist der Wegsensor senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ventilstange ausgerichtet und die Ventilstange ist mit einem metallischen Keil verbunden. Die Länge des Keiles in Bewegungsrichtung der Ventilstange entspricht dem Bewegungshub der Ventilstange. Somit ergibt sich entlang der Ventilstange eine durch den metallischen Keil angebrachte schiefe Ebene. Der Induktivsensor, welcher senkrecht zur Ventilstange ausgerichtet ist, ist auch hierbei wieder ortsfest angeordnet. Dies bewirkt daß der Wegsensor den metallischen Werkstoff des Keiles nun in unterschiedlicher Entfernung registriert. Je nachdem welcher Bereich der "schiefen Ebene" gerade am Sensor vorbeigeführt wird. Ist die Ventilstange beispielsweise in der einen Endlage, so befindet man sich an der schiefen Ebene ganz unten, so daß die Entfernung des Wegsensors zum metallischen Werkstoff des Keiles recht groß ist befindet sich die Ventilstange in der entsprechend anderen Endlage dann befindet man sich im Bereich des höchsten Punktes der schiefen Ebene, was bedeutet, daß der metallische Werkstoff des Keiles sehr nahe am Wegsensor liegt. Durch die geeignete Wahl der Neigung dieser "schiefen Ebene" ist eine gezielt einstellbare Wegunter­ bzw. -übersetzung bei der Wegerfassung möglich. Bei dieser Anordnung wird der Mangel wettgemacht, daß der induktive Sensor in seiner Erfaßbarkeit angenäherter Gegenstände in der Regel nur eine recht kurze Reichweite hat, die normalerweise kleiner ist als der zu erfassende Ventilstangenhub.

In einer weiteren Ausführung sind zwei Keile an gegenüberliegenden Seiten der Ventilstange in Bewegungsrichtung angeordnet, und es sind auch entsprechend zwei Wegsensoren sich dementsprechend gegenüberliegend angeordnet. Bei dieser Anordnung ist die vorherige Anordnung an der Ventilstangenachse gespiegelt. Eine solche Anordnung hat jedoch den erheblichen Vorteil, daß neben der Wegerfassung der Ventilstangenbewegung auch das Spiel der Ventilstange mitberücksichtigt bzw. kompensiert werden kann. Hierbei würde ein Spiel, d. h. eine Auslenkung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ventilstange in einer Richtung bedeuten, daß an einem Wegsensor sich die Amplitude erhöht und an dem entsprechenden anderen Wegsensor gleichzeitig und in gleichem Maße erniedrigt. Wesentlich hierbei ist nun, daß das eigentliche Wegsignal weder alleine von dem einen noch von dem anderen Wegsensor berücksichtigt wird, sondern daß aus den Signalen beider Wegsensoren die Summe gebildet wird. Das Summensignal ist somit bezüglich Seitenversetzungen der Ventilstange konstant, d. h. fehlerkorrigiert und nur noch variabel in Abhängigkeit des Ventilstangenhubes. Das heißt, die Fehlerkorrektur stellt sich ohne zusätzlichen Eingriff selbst ein. Der letzten Ausgestaltungsmöglichkeit liegt das zuerst genannte konstruktive Prinzip zugrunde, wobei auch hierbei ein metallisches Element an der Ventilstange angebracht und gemeinsam mit der Ventilstange bewegt wird. Der Wegsensor ist auch hierbei, wie in der ersten konstruktiven Lösung, parallel zur Ventilstange bzw. Ventilstangenbewegungsrichtung ausgerichtet. Der Wegsensor ist ebenfalls ortsfest angeordnet. Die Besonderheit dieser Ausführungsform besteht darin, daß das von der Ventilstange mitgeführte metallische Element eine Ausnehmung mit charakteristischer Kontur aufweist. Diese Ausnehmung ist kegelförmig und derart in den metallischen Körper eingebracht, daß die Kegelbasis auf vollem Querschnitt offen und dem Wegsensor zugewandt ist. In dieser Ausgestallungsversion vereinigen sich die Funktionen aller bisher beschriebenen Bauformen. Das Streufeld des Wegsensors ergibt eine "Keule" die in diese kegelförmige Ausnehmung hineinreicht. Wird nun die Ventilstange bewegt, so läuft dieser Streufeldbereich an der Mantelfläche des Kegels wieder wie an einer schiefen Ebene ab. Somit ist diese Bauform wegen der Über- bzw. Untersetzungswirkung wiederum dann einsetzbar, wenn der Ventilstangenhub größer oder kleiner als der eigentliche Registrierbereich des Wegsensors ist. Legt man nun einen Schnitt senkrecht zur Kegelachse durch diesen metallischen Körper, so erscheinen im Schnittbild zwei schiefe Ebenen die sich an der Spitze des Kegels treffen. Hierbei ergibt sich nun ebenfalls wieder die bereits geschilderte Selbstkompensation des Signales dann, wenn zusätzlich zur Ventilstangenhubrichtung auch noch eine Seitenversetzung vorliegt. Das heißt an der einen schiefen Ebene ist die Streukeule dichter dran und zu der anderen schiefen Ebene ist der Abstand großer, so daß in Summe das Signal dieses Sensors bezüglich der Seitenversetzung der Ventilstange wieder "selbstkompensiert" ist.

Eine letzte alternative Bauform ist dadurch gegeben, daß die Ventilstange über einen Anlenkhebel eine Kurvenscheibe betätigt. Hierbei liegen zwar wieder mechanische Komponenten vor, jedoch erfolgt der letztendliche Abgriff der Bewegung über den Wegsensor wieder berührungslos. Auch hierbei ist die Verschleißreduktion im Hinblick auf die dargestellte Erfindung erreicht. Bei dieser Bauform können u. U. extrem große Ventilstangenhübe ebenfalls von einem induktiven Wegsensor gemessen werden, obwohl dieser nur kurze Reichweiten erfassen kann. Die Kurvenscheibe hat dabei je nach Stellung einen größeren oder kleineren Abstand zum Wegsensor und ist im übrigen ebenfalls aus dem metallischen bzw. elektrisch leitendem Material, um das induktive Prinzip der Meßanordnung zu realisieren.

Die Erfindung sowie alle Alternativlösungen sind in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ventilstange mit parallel ausgerichtetem Wegsensor,

Fig. 2 eine Ventilstange mit metallischem Keil und senkrecht ausgerichtetem Wegsensor,

Fig. 3 eine Ventilstange mit zwei metallischen Keilen und zwei senkrecht ausgerichteten Wegsensoren,

Fig. 4 eine Ventilstange mit kegelförmig ausgenommenem metallischen Körper und parallel ausgerichtetem Wegsensor,

Fig. 5 eine Ventilstange mit Kurvenscheibe und Wegsensor.

Fig. 1 zeigt die erste Ausgestaltungsversion, bei der der Wegsensor 1 parallel zur Ventilstange 7 ausgerichtet ist. Im Wegsensor 1 ist das Streufeld 8 entsprechend markiert. An der Ventilstange 2 ist ein metallischer bzw. elektrisch leitfähiger Körper 5 fest angebracht, der mit der Ventilstange 2 mitbewegt wird. Hierdurch wird der metallische bzw. elektrisch leitfähige Körper in dem Streufeld 8 bewegt, und bewirkt somit eine Dämpfung der in dem Wegsensor erzeugten Oszillation. An der Markierung des Streufeldes 8 ist zu erkennen, daß die Reichweite des Streufeldes unter der Maßgabe eines ausreichend großen Signales endlich ist. Diese Streufelderstreckung ist somit der Arbeitsbereich des Wegsensors. Somit muß die Streufelderstreckung bzw. der Arbeitsbereich mindestens gleich groß dem zu detektierenden Hub der Ventilstange sein.

Der Antrieb 3 der Ventilstange 2 kann beispielsweise elektromagnetisch, mechanisch oder pneumatisch ein. Über die Ventilstange 2 wird dann das eigentliche Ventil 4 betätigt.

Ebenfalls dargestellt ist, daß die Wegerfassungseinrichtung in Zweileitertechnik ausgestaltet ist; d. h. am Ausgang des Wegsensors 1 führen zwei elektrische Leitungen 6 zum Mikrorechner 7.

Fig. 2 zeigt eine Ventilstange 2 mit einem metallischen Keil 9 und senkrecht dazu ausgerichtetem Wegsensor 1. Der metallische Keil 9 ist so konturiert und an der Ventilstange 2 befestigt daß sich in Bewegungsrichtung der Ventilstange 2 in dieser Seitenansicht eine schiefe Ebene bildet. Auch hierbei ist das Streufeld 8 des Wegsensors 1 wieder markiert. Wesentlich ist hierbei, daß diese schiefe Ebene quasi eine Wegumwandlung vornimmt. Das heißt, je nach Stellung der Ventilstange ist die schiefe Ebene dieses Keiles näher am Wegsensor oder entfernter hierzu. Die schiefe Ebene kann bezüglich ihrer Neigung hierbei so bemessen werden, daß ein sehr großer Ventilstangenhub in eine sehr kleine Abstandsänderung über die schiefe Ebene zum Wegsensors umgesetzt wird. Das heißt je nach dem wo sich die schiefe Ebene bzgl. des ortsfesten Streufeldes 8 des Wegsensors 1 befindet, ist der Einfluß auf das Streufeld und damit auf die Dämpfung der Oszillation mehr oder weniger. Da, wie oben bereits gesagt, das Streufeld des induktiven Wegsensors in der Regel nur eine kurze Reichweite hat, sind über eine solche Wegumsetzung auch grobe Ventilstangenhübe wegmäßig erfaßbar.

Fig. 3 zeigt eine bzgl. Fig. 2 an einer imaginären Spiegelebene parallel zur Ventilstange 2 gespiegelte Anordnung, bei der zwei Wegsensoren 1, 1′ sich gegenüberliegend, sowie zwei Keile 9, 9′ an gegenüberliegenden Seiten der Ventilstange 2 angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt eine Ventilstange 2 mit kegelförmig ausgenommenem metallischen Körper 10 und parallel ausgerichtetem Wegsensor 1, Der metallische bzw. elektrisch leitfähige Körper 10 ist hierbei in einem Schnitt dargestellt. Real ist dieser keilförmige Einschnitt 11 rotationssymmetrisch, also kegelförmig. Der Wegsensor 1 ist hierzu parallel zur Ventilstange 2 und in seiner zentrischen Achse zur Kegelspitze hin angeordnet. Bei dieser Anordnung ergibt sich in etwa die gleiche Funktionsweise wie bei einer Anordnung nach Fig. 3. Die Anordnung nach Fig. 3 hat den Vorteil, daß neben der Wegerfassung in Bewegungsrichtung der Ventilstange auch die Störgröße der Seitenversetzung der Ventilstange durch Ventilspiel kompensiert werden kann, indem die Wegsensorsignale der Sensoren 1 und 1′ als Summensignal zusammengeführt werden und somit eine Seitenversetzung in Summe beider Signale kompensiert ist. In Fig. 4 ist dies mit einem Sensor 1 erreicht. Findet nämlich eine Seitenversetzung der Ventilstange durch Ventilspiel statt, so ist der Einflußbereich der hier im Schnitt erscheinenden einen schiefen Ebene größer und der Einfluß der anderen schiefen Ebene kleiner, so daß in Summe das Signal bei Seitenversetzung der Ventilstange unverändert bleibt.

Fig. 5 zeigt eine letzte Anordnung, bei der die Ventilstange 2 während des Hubes über einen Anlenkhebel 12 eine entsprechend exzentrisch gelagerte Kurvenscheibe 13 betätigt, d. h. dreht. Der Wegsensor 1 ist hierbei wiederum ortsfest angeordnet. Die Kurvenscheibe 13 ist dabei so konturiert und angelenkt, daß bei Drehung sich der Abstand der Außenkontur der Kurvenscheibe 13 zum Wegsensor 1 ändert. Dadurch kommt es zu einer drehwinkelabhängigen Dämpfung der Oszillation im Wegsensor, wobei der Drehwinkel wiederum von der Ventilstangenbewegung abhängt. Diese Einrichtung läßt sich beliebig genau durch entsprechende Dimensionierung der Kurvenscheibe und der Hebelanordnung realisieren.

Alle dargestellten Figuren zeigen im wesentlichen nur die eigentliche Wegerfassungseinrichtung und schematisch dargestellt sind in alten Figuren der Ventilstangenantrieb 3 und das Ventil 4 selbst, so daß die Wegerfassungseinrichtung räumlich zwischen diesen beiden Elementen angeordnet ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Wegerfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem induktiv arbeitenden Sensor eine HF-Oszillation innerhalb eines LC-Resonanzkreises zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes angeregt wird, daß über einen von der Ventilstange mitbewegten elektrisch leitfähigen Körper die HF-Oszillation wegabhängig bedämpft wird, daß das Oszillatorsignal demoduliert und unverstärkt einem Mikrorechner zur Auswertung der wegabhängigen Oszillationsamplitudenbedämpfung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Sensor im Pulspausenbetrieb eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des induktiven Sensors die Temperatur gemessen und mit der gemessenen Oszillationsamplitude korreliert wird, und daß aus der Korrelation ein korrigiertes Wegsignal ermittelt wird.

4. Einrichtung zur Wegerfassung der Ventilstangenbewegung elektropneumatischer Stellungsregler, bei der über ein Wegerfassungselement und ein an der Ventilstange angeordnetes Geberelement die Ventilstangenbewegung erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Geberelement (5, 10) aus elektrisch leitfähigem Material besteht und mit der Ventilstange (2) fest gekoppelt ist, und daß der Wegsensor (1) im Bereich seines induktiven Streufeldes (8) zum Geberelement (5, 10) und bezüglich der Ventilstangenbewegungsrichtung parallel ausgerichtet angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement (10) mit einer kegelförmigen Ausnehmung (11) versehen ist, die an der Basis des Kegels im vollen Querschnitt hin zum Wegsensor (1) offen ist.

6. Einrichtung zur Erfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern, mit berührungslos arbeitendem Sensor, welcher nach dem induktiven Prinzip arbeitet. dadurch gekennzeichnet,
daß der induktive Wegsensor (1, 1′) bezüglich seiner Detektionsrichtung senkrecht zur Ventilstangenhubrichtung ausgerichtet angeordnet ist und daß die Ventilstange (2) im induktiv wirksamen Einflußbereich des Wegsensors (1, 1′) mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Keil (9, 9′) versehen ist, der eine schiefe Ebene bezüglich der Ventilstangenbewegungsrichtung bildet, wobei der Keil (9, 9′) in seiner Länge maximal dem Betrag des Ventilstangenhubes entspricht.

7. Einrichtung zur Erfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß insgesamt zwei Wegsensoren (1, 1′) sowie zwei elektrisch leitfähige Keile (9, 9′) vorgesehen sind, die sich an der Ventilstange (2) auf verschiedenen Längsseiten gegenüberliegend angeordnet sind.