Stellventil mit einer Messeinrichtung zur Messung des Hubs eines beweglichen Ventilglieds gegenüber einem stationären Teil des Stellventils.

Die DE 30 36 485 A1 betrifft einen hydraulischen Arbeitszylinder bestehend aus einem

Zylindergehäuse, einem im Betrieb feststehenden und einem relativ zu diesem bewegbaren

Hydraulikglied, Innerhalb des Zylindergehäuses, zwischen dem feststehenden Hydraulkglied und dem bewegbaren Hydraulikglied ist mindestens ein Messwertaufnehmer einer Lagenmessvorrichtung angeordnet. Der Messwertaufnehmer kann aus zwei auf Zug beanspruchten Spiralfedern mit unterschiedlichen Federkonstanten bestehen, die mit einer Kraftmesseinrichtung im Messsinne verbundenen sind. Die Spiralfedern sollen so verspannt werden, dass sie weder bei der minimalen Hubstellung durchhängen, noch bei der maximalen Hubstellung überdehnt werden. Nachteilig ist bei dieser Lagenmessvorrichtung, dass sie auf eine einzige Hublänge zwischen dem feststehenden Hydraulikglied und dem beleg baren Hydraulikglied ausgelegt ist.

Die US 3 180 836 A offenbart einen elektrohydraulischen Aktuator mit einem Zylinder und einem Kolben, der in dem Zylinder belegbar gelagert ist. Eine Messeinrichtung mit einem elektromechanischen Wandler dient zur Erfassung der relativen Bewegung zwischen dem Zylinder und dem Kolben. Auch bei dieser Messeinrichtung ist nachteilig, dass sie nur auf eine einzige Hublänge zwischen dem Zylinder und dem Kolben ausgelegt ist. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stellventil mit einer Messeinrichtung zur Messung des Hubs des beweglichen Ventilglieds gegenüber dem stationären Teil des Stellventils bereit zu stellen, wobei die Messeinrichtung in der Lage sein soll, auch große Hublängen von beispielsweise 60 mm, 120 mm und 250 mm zu erfassen. Dazu ist ein Stellverl til mit einer Messeinrichtung zur Messung des Hubs eines beweglichen Ventilglieds gegenüber einem stationären Teil des Stellventils des Stellventils dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung ein Übersetzungsgetriebe mit zwei Federn unterschiedlicher Federkonstanten umfasst, von denen eine Feder mit einem stationären Teil des Gehäuses des Stellventils und die andere Feder mit einem Element des beweglichen Ventilglieds verbunden ist, wobei die Messeinrichtung mit der Feder mit der größeren Federkonstanten verbunden ist, und einen damit zusammenwirkenden Sensor zur Messung einer Lagenänderung der Feder mit der größeren Federkonstanten aufweist. Die beiden Federn bilden in vorteilhafter Weise ein Übersetzungsgetriebe, wobei die Getriebeübersetzung von dem Verhältnis der jeweiligen Federkonstanten der beiden Federn abhängt. Je größer die Federkonstante der einen Feder, der Messfeder, gegenüber der Federkonstanten der anderen Feder, der Hubkraftfeder, ist, desto kürzer ist der Weg, um den sich das Messelement bei einem vollständigen Hub des

Stellventils bewegt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellventils ist dadurch gekennzeichnet, dass Messeinrichtung ein Messelement umfasst, das mit dem beweglichen Ende der Feder mit der größeren Federkonstanten verbunden ist, wobei die Bewegung der Feder an dem beweglichen Ende der Feder optimal ausgenutzt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellventils ist dadurch

gekennzeichnet, dass das Messelement ein magnetisches Messelement ist, wobei vorzugsweise der Sensor ein AMR-Sensor oder ein Hall-Sensor ist. Mit einer derartigen Messeinrichtung kann der Hub mit hoher Auflösung und berührungslos gemessen werden.

Vorzugsweise ist eine der Federn als Messfeder eine Druckfeder und die andere der Federn als Hubkraftfeder eine Zugfeder, wobei die Messfeder eine fest installierte Messfeder ist, die das

Messelement trägt, und die Hubkraftfeder eine austauschbare Hubkraftfeder ist, deren

Federeigenschaften in Abhängigkeit von dem Hub des beweglichen Ventilteils gewählt ist. Damit wird in vorteilhafter Weise eine stabile Lagerung des Messelements erreicht und die Messeinrichtung kann auf unterschiedliche Hublängen von beispielsweise 60 mm, 120 mm und 250 mm einfach dadurch eingestellt werden, dass die Hubkraftfeder ausgetauscht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Druckfeder ein Federbauteil in der Art einer Festkörperfeder, das einerseits mit einer Halterung zur Befestigung des Übersetzungsgetriebes an dem stationären Teil des Stellventils verbunden ist und das andererseits mit der Hubkraftfeder verbunden ist und das Messelement trägt, wobei der Sensor im Bewegungsbereich des Messelements angeordnet ist. Durch die Stabilität des Federbauteils wird eine stabile Lagerung des Messelements erreicht, ohne dass zusätzliche Bauteile zu diesem Zweck erforderlich wären. Da der Sensor lediglich so angeordnet sein soll, dass er einen Stellweg des Messelements erfassen kann, kann der Sensor in vorteilhafter Weise entweder über einen Träger mit der Halterung zur Befestigung des Übersetzungsgetriebes an dem stationären Teil des Stellventils oder direkt an dem stationären Teil des Stellventils angeordnet werden, wobei der Bauaufwand gegenüber dem Fall verringert werden kann, dass der Sensor in einem Sensorkopf integriert wird.

Vorteilhafterweise ist zwischen einer Halterung zur Befestigung des Übersetzungsgetriebes an dem stationären Teil des Stellventils und einer Halterung des Übersetzungsgetriebes an dem beweglichen Teil des Stellventils ein Schutzrohr vorgesehen, mit dem das Eindringen von Schmutz in die

Messeinrichtung oder eine anderweitige Beeinträchtigung der Messeinrichtung vermieden werden kann. Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass das Schutzrohr in seiner Länge elastisch verformbar sein kann und damit die Hubkraftfeder bildet, wobei in vorteilhafter Weise keine zusätzliche Kraftfeder mehr erforderlich ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Messfeder einen elastischen

Biegebalken, der einerseits mit dem stationären Teil des Stellventils und andererseits mit der

Hubkraftfeder verbunden ist. Durch einen derartigen Biegebalken kann auf einfache Weise ein

Federelement mit hoher Steifigkeit bereitgestellt werden, Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass die wirksame Länge des Biegebalkens einstellbar ist. Die Federkonstante des Biegebalkens kann daher in einfacher Weise geändert werden, indem die wirksame Länge entsprechend der Getriebeübersetzung eingestellt wird. Die variable Einstellung der wirksamen Länge des Biegebalkens ermöglicht es sogar, die Getriebeübersetzung der Messeinrichtung auf unterschiedliche Hublängen einzustellen, ohne die Hubkraftfeder austauschen zu müssen.

In vorteilhafter Weise umfasst der Biegebalken ein Biegebauteil, das sich von einer Verbindung mit dem stationären Teil des Stellventils bis zu einer Aufhängung für die Hubkraftfeder erstreckt, und ein

Stellbauteil, dass an dem Biegebauteil dagegen längsverschieblich geführt ist und an dem Biegebauteil zwischen der Verbindungsstelle und der Aufhängung zu befestigen ist. Damit kann einfach durch Lösen der Verbindung zwischen dem Stellbauteil und dem Biegebauteil, Einstellen der relativen Lage zwischen dem Stellbauteil und dem Biegebauteil und durch erneutes Festziehen der Verbindung zwischen dem Stellbauteil und dem Biegebauteil die wirksame Federkonstante des Biegebauteils eingestellt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet;

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Stellventils im geöffneten Zustand mit einer Messeinrichtung für den Hub nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Stellventils nach Fig, 1 geschlossenen Zustand mit einer

Messeinrichtung für den Hub nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Messeinrichtung wie sie bei dem Steilventil nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer alternativen iesseinrichtung wie sie bei einem Stell ventil nach Fig.1 verwendet werden kann;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung der Messeinrichtung nach Fig. 4;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines Stellventils im geöffneten Zustand mit einer alternativen

Messeinrichtung für den Hub nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 eine Seitenansicht der alternativen Messeinrichtung nach Fig. 8;

Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch die Messeinrichtung nach Fig. 7 entlang der Linie A-A.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Stellventil 2, welches in Fig. 1 in dem geöffneten Zustand und in Fig.2 in dem geschlossenen Zustand dargestellt ist. Das Stellventil 2 umfasst einen Ventilkörper 4 mit einer Einlassmündung 6 und einer Auslassmündung 8. Eine Ventilstange 10 endet in einem Ventilkegel 12, der, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, mit einem Ventilsitz 14 zusammenwirkt. Der Ventilkörper 4 ist über ein Joch 16 mit einem Gehäuse 18 eines Membranantriebs 20 verbunden, indem das Joch 16 mit einem Gehäuseansatz 22 des Gehäuses 18 des Membranantriebs 20 verbunden ist.

Der Membranantrieb 20 umfasst zwei Druckkammern 24, 26, die durch eine Membran 28 voneinander getrennt sind. In der einen Druckkammer 24 sind in an sich bekannter Weise Sollwertfedern 30, 32 vorgesehen. Die Ventilstange 10 ist mit der Membran 28 verbunden, sodass die Ventilstange 10 über die Hydraulik des Membranantriebs 20 betätigt wird. Die Ventilstange 10 ist über ein Lager 34 mit dem Gehäuse 18 des Membranantriebs 20 und über ein Lager 36 an dem Ventilkörper 4 gelagert. An der Ventilstange 10 ist ein Befestigungselement 38 vorgesehen. Zwischen dem Befestigungselement 38 und dem Gehäuse 18 des Membranantriebs 20 ist eine Messeinrichtung 40 angeordnet, wie sie im Detail in Fig. 3 gezeigt ist. Die Messeinrichtung 40 zur Messung des Hubs eines beweglichen Ventilglieds, d.h. der Ventilstange 10, gegenüber einem stationären Teil des Stellventils 2, d.h. dem Ventilkörper 4 oder dem Gehäuse 18 des Membranantriebs 20, umfasst gemäß Fig. 3 ein Übersetzungsgetriebe mit zwei Federn 42, 44 mit unterschiedlichen Federkonstanten, von denen eine Feder, d.h. die Messfeder 42, mit dem stationären Teil des Stellventils 2, beispielsweise dem Gehäuse 18 des Membranantriebs 20 oder dem Joch 16, und die andere Feder, d.h. die Hubkraftfeder 44, über ein Lagerbauteil 45 und eine Halterung 46 mit dem Befestigungselement 38 an der Ventilstange 10 verbunden ist.

Die Messeinrichtung 40 umfasst ein Messelement 48, das mit dem beweglichen Ende der Messfeder 42 verbunden ist, die von den beiden Federn 42, 44 die größere Federkonstante hat. Mit dem

Messelement 48 wirkt ein Sensor 50 zur Messung einer relativen Lagenänderung des Messelements 48 gegenüber dem Sensor 50 zusammen. Die beiden Federn 42, 44 bilden ein Übersetzungsgetriebe, wobei die Getriebeübersetzung von dem Verhältnis der jeweiligen Federkonstanten der beiden Federn 42, 44 abhängt. Je größer die Federkonstante der Messfeder 42 gegenüber der Federkonstanten der Hubkraftfeder 44 ist, desto kürzer ist der Weg, um den sich das Messelement 48 bei einem

vollständigen Hub des Stellventils 2 bewegt. Das Messelement 48 ist ein magnetisches Messelement 48, oder Magnetgeber, und der Sensor 50 ist ein AMR-Sensor oder ein Hall-Sensor.

Gemäß Fig. 3 ist die Messfeder 42 eine Druckfeder und die Hubkraftfeder 44 ist eine Zugfeder, wobei die Messfeder 42 fest installiert ist. Die Messfeder 42 trägt das Messelement 48. Die Hubkraftfeder 44 ist austauschbar, wobei die Federkonstante der Hubkraftfeder 44 in Abhängigkeit von dem Hub der Ventilstange 10 gewählt wird, Damit kann die Messeinrichtung 40 auf unterschiedliche Hubingen von beispielsweise 60 mm, 120 mm und 250 mm einfach dadurch eingestellt werden, dass die

Hubkraftfeder 44 ausgetauscht wird,

Wie in Fig. 3 bzw. in Figur 5 gezeigt ist, ist zwischen einem Lagerbauteil 45 bzw.55 zur Befestigung der Messeinrichtung 40 bzw. 52 an dem feststehenden Element des Stellventils 2 und der Halterung 48 bzw. 65 der Messeinrichtung 40 bzw. 52 an der Ventilstange 10 des Stelventils 2 ein Schutzrohr 41 bzw. 88 vorgesehen, mit dem das Eindringen von Schmutz in die Messeinrichtung 40 bzw. 52 vermieden werden kann.

In einer abgewandelten Ausführung ist das Schutzrohr 41 in seiner Länge elastisch verformbar und dient damit als Hubkraftfeder, in diesem Fall kann auf die als Spiralfeder ausgebildete Hubkraftfeder 44 bzw. 60 verzichtet werden, und die Kolbenstange 59 bzw. die Führungsstange 61 werden an dem Lagerteil 45 bzw. 65 befestigt.

Gemäß Fig. 3 ist die Messfeder 42 zwischen einem Boden 51 einer Bohrung 53 in einem Lagerbauteil 55 und einem Führungskolben 57 an einer Kolbenstange 59 angeordnet, wobei der Führungskolben 57 in der Bohrung 53 des Lagerbauteils 55 gelagert ist. Das Messelement 48 ist an einem Ende der Kolbenstange 59 angeordnet, während das andere Ende der Kolbenstange 59 lösbar mit dem einen Ende der Hubkraftfeder 44 verbunden ist. Auf dem Lagerbauteil 55 ist ein Sensor-Lagerbauteii befestigt, in dem der Sensor 50 gegenüberliegend zu dem Messelement 48 gelagert ist. Wenn der

Führungskolben 57 reibungsarm in der Bohrung 53 geführt wird und die Systemreibung gegenüber den Federkräfte klein gehalten wird, lässt sich auf diese Weise ein hysteresearmes Positionssensorsystem erreichen. Bei geringer Masse des Messelements 48 und gleichzeitig hoher Federsteife der Messfeder 42 wird die Eigenfrequenz des Systems hoch, sodass Tiefpassfilter zur Mittelwertbildung bei

Schwingungen des Magneten eingesetzt werden können.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 52 nach den Fig. 4 und 5 ist die als Druckfeder ausgebildete Messfeder 54 ein Federbauteil in der Art einer Festkörperfeder, das einerseits mit einer Halterung 56 zur Befestigung an einem feststehenden Element des Stellventils 2, nämlich an dem Ansatz 22 des Gehäuses 18 des Membranantriebs 20 oder mit dem Joch 16 verbunden ist, das den Membranantrieb 20 mit dem Ventilkörper 4 verbindet. Das bewegliche Ende der Messfeder 54 ist mit der Hubkraftfeder 60 über eine Führungsstange 61 verbunden, wobei die Führungsstange 61 an dem Hubkraftfeder 60 abgewandten Ende das Messelement 62 in Form eines Magnetgebers trägt. Ein Sensor 64 ist im Bewegungsbereich des Messeiements 62 angeordnet. Da der Sensor 64 lediglich so angeordnet werden muss, dass er das Messelement 62 auf seinem Verstellweg erfassen kann, kann der Sensor 64 über einen Träger 66 mit der Halterung 56 zur Befestigung der Messeinrichtung 52 verbunden werden.

Die Hubkraftfeder 60 ist über ein Lagerbauteil 65 und eine Halterung 67 an dem Befestigungselement 38 an der Ventilstange 10 verbunden. Zwischen der Halterung 56 zur Befestigung der Messeinrichtung 52 an dem feststehenden Element des Stellventils 2 und der Halterung 67 der Messeinrichtung 52 ist ein Schutzrohr 68 vorgesehen, mit dem das Eindringen von Schmutz in die Messeinrichtung 52 oder eine anderweitige Beeinträchtigung der Messeinrichtung vermieden werden kann. Das Schutzrohr 68 kann in seiner Länge elastisch verformbar sein und damit die Hubkraftfeder bilden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stellventils 2, wobei Teile, die mit Teilen in der Fig. 1 übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied des Stellventils nach Fig. 6 zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen liegt in der Ausgestaltung der Messeinrichtung 70, wie sie in den Fig. 6 - 8 gezeigt ist.

Danach umfasst die Messeinrichtung 70 als Messfeder einen elastischen Biegebalken 72, der einerseits mit einem feststehenden Teil des Stellventils 2, insbesondere dem Ansatz 22 des Gehäuses 18 des Membranantriebs 20, verbunden ist und der andererseits mit der Hubkraftfeder 74 verbunden ist. Dieser Biegebalken 72 dient als Federelement mit hoher Steifigkeit. Die wirksame Länge des Biegebalkens 72 ist einstellbar, wobei die Federkonstante des Biegebalkens 72 geändert werden kann, indem die wirksame Länge des Biegebalkens 72 entsprechend der Getriebeübersetzung eingestellt wird. Die variable Einstellung der wirksamen Länge des Biegebalkens 72 ermöglicht dabei, die

Getriebeübersetzung der Messeinrichtung auf unterschiedliche Hüblingen einzustellen, ohne die Hubkraftfeder austauschen zu müssen.

Insbesondere gemäß den Fig. 7 und 8 umfasst der Biegebalken 72 ein Biegebauteil 76, das sich von einem Verbindungsteil 78 zur Verbindung mit dem Ansatz 22 des Gehäuses 18 bis zu einer Aufhängung 80 für die Hubkraftfeder 74 erstreckt, und ein Stellbauteil 84, das an dem Biegebauteil 76 dagegen längsverschieblich geführt ist und an dem Biegebauteil 76 zwischen dem Verbindungsteil 78 und der Aufhängung 80 mit einer Stellschraube 82 zu befestigen ist. Durch Lösen der Verbindung zwischen dem Stellbauteil 84 und dem Biegebauteil 76, einstellen der relativen Lage zwischen dem Stellbauteil 84 und dem Biegebauteil 78 und durch erneutes Festziehen der Verbindung zwischen dem Steiibautei! 84 und dem Biegebauteil 76 kann die wirksame Federkonstante des Biegebauteils 76 eingestellt werden.

Wie in den Fig. 7 und 8 im Einzelnen dargestellt ist, ist in dem Biegebauteil 76 eine axiale Ausnehmung 86 vorgesehen, durch die die Stellschraube 82 hindurch greift, die an dem Stellbauteil 84 angreift, dass in dem Biegebauteil 78 geführt ist und, wie in Fig. 7 gezeigt ist, einwärts über die Befestigungsstelle 88 hinausreicht, an der das Biegebauteil 76 mit zwei Schrauben 90 ,92 an dem Verbindungsteil 78 befestigt ist. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8 ist das eine Ende der Hubkraftfeder 74 mit einer

Aufhängung 94 an dem federnd bewegbaren Ende des Biegebauteils 78 verbunden, wahrend das andere Ende der Hubkraftfeder 74 mit einer Halterung 96 verbunden ist, die über ein Befestigungsteii 98 mit dem beweglichen Teil des Stellventils 2 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 100 gegenüber dem Messelement 102 angeordnet, indem der Sensor 100 auf einer Halterung 104 angeordnet ist, die mit dem Verbindungsteil 78 verbunden ist.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können bei der Erfindung andere berührungslose Sensoren eingesetzt werden, beispielsweise induktiv oder Kapazität arbeitende Sensoren,

Bezugszeichen liste

2 Stellventil

4 Ventilkörper

6 Einlassmündung

8 Auslassmündung

10 Ventilstange

12 Ventilkegel

14 Ventilsitz

16 Joch

18 Gehäuse

20 Membranantrieb

22 Gehäuseansatz

24 Druckkammer

26 Druckkammer

28 Membran

30 Sollwertfeder

32 Sollwertfeder

34 Lager

38 Lager

38 Befestigungselement

40 Messeinrichtung

42 Messfeder

44 Hubkraftfeder

45 Lagerbauteil

48 Halterung

48 Messelement 50 Sensor

51 Boden

52 Messeinrichtung

53 Bohrung

54 Messfeder

55 Lagerbauteil

58 Halterung

57 Führungskolben

59 Kolbenstange

60 Hubkraftfeder

81 Führungsstange

62 Messelement

84 Sensor

85 Lagerbauteil

66 Träger

87 Halterung

68 Schutzrohr

70 Messeinrichtung

72 Biegebalken

74 Hubkraftfeder

76 Biegebauteil

78 Verbindungsteil

80 Aufhängung

82 Stellschraube

84 Stellbauteil

86 Ausnehmung

88 Befestigungsstelle

90 Schraube

92 Schraube

94 Aufhängung

96 Halterung

98 Befestigungsteil

100 Sensor

102 Messelement 104 Halterung