Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor zum Bestimmen der Position einer Ventil- Stange eines Stellventils.

Stellventile benötigen in der Regel derartige Positionssensoren, um die Stellung des Ven tilgliedes zu erfassen, damit der Stellungsregler eine genaue Position einregeln kann. Hierfür werden absolute Messverfahren bevorzugt, da eine Referenzmessung in einer prozesstechni schen Anlage nicht möglich ist und nach einem Störfall oder beim Hochfahren der Anlage die Ventilstellung für den gewünschten Öffnungsquerschnitt sofort eingestellt werden muss. Auf grund der schwierigen Umwelteinflüsse in prozesstechnischen Anlagen werden hierfür berüh rungslose Messverfahren bevorzugt. Stand der T echnik

Bei Positionssensoren für Stellventile kommen häufig magnetische oder optische Hub messverfahren zum Einsatz, wobei ein bestimmtes Muster durch einen Sensor abgetastet wird. Dieses Muster erstreckt sich entweder über den gesamten Hubbereich, oder es sind mehrere Sensoren angebracht, welche ein einheitliches Muster überfahren. Die Veröffentlichungen EP 2 834601 B1 oder EP 861 417 B1 zeigen solche Sensoren.

Weiterhin sind Sensoranordnungen bekannt, bei denen als Sensorelemente Spulenano rdnungen verwendet werden, welche von metallischen Elementen überfahren werden und ent weder mittels Induktion eine Flussänderung detektieren oder Frequenzänderungen messen. Ein Beispiel dafür ist in der Veröffentlichung DE 100 48435 A1 beschrieben.

In der Veröffentlichung EP 1 083 408 B1 ist offenbart, für Drehwinkelmessungen in eine Leiterplatte eingebettete Spulen hintereinander zu schalten. Die Veröffentlichung EP 3 365634 B1 zeigt darüber hinaus, solche Spulen zyklisch der Reihe nach mit Wechselspannung zu ver sorgen, so dass jeweils ein erster Teil der Spulen mit Wechselspannung versorgt wird und ein verbleibender Teil unbestromt ist.

Spezielle Ausgestaltungen für die Anforderungen bei Stellventilen sind jedoch, ebenso wie Möglichkeiten zur Anpassung an unterschiedliche, insbesondere große Hublängen, nicht bekannt. Auch sind die bekannten Spulenanordnungen nicht für Niedrigenergieanwendungen geeignet.

Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Positionssensor für Stellventile anzugeben, der kos tengünstig und für unterschiedliche, insbesondere große Hublängen sowie für Niedrigenergie anwendungen geeignet ist.

Lösung

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteil hafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umge kehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Positionssensor zum Bestimmen der Position einer Ven tilstange eines Stellventils vorgeschlagen. Dieser hat einen Zeiger, der derart mit der Ventil stange gekoppelt ist, dass er bei einer Bewegung der Ventilstange von dieser mitgeführt wird. Der Zeiger ist aus einem magnetisch und / oder elektrisch leitenden Material gebildet und / oder trägt mindestens ein passives elektronisches Bauelement. Passive elektronische Bauelemente können z.B. Spulen, Kondensatoren oder Widerstände sein. Der Positionssensor hat mindes tens ein Modul, wobei jedes Modul aus einer Leiterplatte gebildet ist, auf der mindestens eine Flachspule aufgedruckt ist. Das mindestens eine Modul ist derart angeordnet, dass der Zeiger bei einer Bewegung der Ventilstange die mindestens eine Flachspule berührungslos über streicht. Der Positionssensor hat außerdem einen Messwandler bzw. eine elektronische Aus werteschaltung, der an der mindestens einen Flachspule ein Signal misst, welches Rück schlüsse über die Relativposition des Zeigers und der mindestens einen Flachspule erlaubt.

Ändert sich der Hub des Stellventils durch eine Bewegung der Ventilstange, so beeinflusst der Zeiger messbare physikalische Größen der mindestens einen Flachspule, wodurch der Messwandler ein entsprechendes Signal messen kann.

Ein solcher Positionssensor für Stellventile ist, insbesondere durch die Gestaltung der Module als Leiterplatten mit aufgedruckten Flachspulen, sehr kostengünstig herzustellen. Durch den geringen Abstand, in dem der Zeiger das mindestens eine Modul überstreicht, kann zudem der Energiebedarf niedrig gehalten und ein starkes Signal erreicht werden.

Eine besondere Eignung des Positionssensors für unterschiedliche, auch große Hublän gen wird durch eine Mehrzahl von Modulen erreicht, wobei die Form und die Abmessungen aller Module identisch sind. Jedes dieser Module weist identische Flachspulen auf. Die Module sind derart ausgebildet, dass sie äquidistant und linear miteinander verbindbar sind.

Auf diese Weise kann eine zu der Hublänge passende Anzahl von Modulen verwendet werden, die den Messbereich des Positionssensors über die Länge eines Moduls hinaus erwei tern. Die mit dem Positionssensor erfassbaren Hublängen sind also nicht auf die Länge einer Leiterplatte beschränkt, und es ist auch nicht erforderlich, für jeden Ventiltyp unterschiedliche Leiterplatten in passender Länge vorzusehen. Durch die Vereinheitlichung lassen sich ferner die Herstellungskosten senken.

Um die Module ohne Ausrichtungsfehler miteinander verbinden zu können, sollten die Leiterplatten der Module die Form zweier identischer Rechtecke haben, die in Längsrichtung des jeweiligen Moduls parallel angeordnet sind und sich berühren, jedoch in Längsrichtung des Moduls gegeneinander verschoben sind. Auf diese Weise ist ein Versatz der Rechtecke gegen einander vorhanden, was einen geknickten Abschluss in Längsrichtung der Ventilstange ergibt. Zudem sollten die Flachspulen derart auf den Leiterplatten aufgedruckt sein, dass sich bei je weils zwei verbundenen Modulen ein Überlapp der Flachspulen auf den beiden Modulen in Längsrichtung der Ventilstange ergibt. Dies ist bei der Messung des Signals von Vorteil, da bei der Bewegung des Zeigers von einem Modul zum nächsten keine Unterbrechung auftritt, son dern stets ein Signal gemessen werden kann.

Eine präzisere Beabstandung der Module zueinander kann erreicht werden, wenn die Lei terplatten der Module Positioniervorsehungen, z.B. in Form von Löchern oder Bohrungen auf weisen. Eine höhere Genauigkeit der Positionsbestimmung wird erreicht, wenn der Positions sensor eine Mehrzahl von Flachspulen aufweist, welche derart paarweise angeordnet sind, dass die Flachspulen eines Paares jeweils gegenläufige Signale liefern. Dies lässt sich durch eine geeignete Wahl der Form und Orientierung der Flachspulen sicherstellen. Diese können bei spielsweise dreieckig oder trapezförmig sein.

Werden die gegenläufigen Signale jeweils zusammen ausgewertet, erhöht sich die Ge nauigkeit, weil Störeffekte, wie beispielsweise Temperatureinflüsse, auf beide Flachspulen ei nes Paars gleichermaßen wirken. Die Signale lassen sich differentiell leicht auswerten. Dabei wird die Differenz der Messwerte der beiden Flachspulen eines Paares durch ihre Summe divi diert. Bei einem solchen Positionssensor bildet ein solches Paar von Flachspulen die kleinste sinnvolle Einheit, die einzeln anzusprechen ist.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Positionssensors haben die Flach spulen jeweils eine dreieckige Form. Die zwei Flachspulen eines Paares sind zudem punktsym metrisch zueinander angeordnet. D.h. eine erste der beiden Flachspulen eines Paares kann beispielsweise so auf der Leiterplatte angeordnet sein, dass die Basis der dreieckigen Form nach unten und die der Basis gegenüberliegende Spitze nach oben zeigt, während die Anord nung der zweiten der Flachspulen des Paares umgekehrt ist. Beide Flachspulen liefern dann Signale, die nicht nur gegenläufig sind, sondern auch ansonsten gleiches Verhalten zeigen. Durch die dreieckige Form der Flachspulen kann besonders gut erreicht werden, dass die Sig nale linear von der Relativposition von Flachspule und Zeiger abhängen. Die typische Betriebs frequenz solcher Spulen liegt im Bereich von einigen hundert kHz bis zu wenigen MHz.

Eine besonders gleichmäßige Positionsbestimmung wird ermöglicht, wenn alle Flachspu len oder bei paarweiser Anordnung alle Paare von Flachspulen derart angeordnet sind, dass sie sich in Längsrichtung der Ventilstange jeweils gleich weit überlappen. Dann gibt es zu jeder möglichen Position eine Flachspule oder ein Spulenpaar, das gerade vom Zeiger überstrichen wird und demnach ein gut messbares Signal liefert. Insbesondere gibt es beim Übergang von einer Flachspule bzw. einem Spulenpaar zur bzw. zum jeweils nächsten keine Unterbrechun gen.

Vorzugsweise erfolgt die elektrische Verbindung der Module durch Federkontakte. Diese können standardisiert sein und zur Festlegung des Abstandes der Module zueinander beitra gen.

Der Zeiger besteht bevorzugt aus Aluminium, Blech, Ferrit oder Messing. Je nach dem, aus welchem Material der Zeiger besteht, können von dem Messwandler auf unterschiedliche Weise Signale gemessen werden, um Rückschlüsse über die Relativposi tion des Zeigers und der mindestens einen Flachspule zu ermöglichen. Ist das Material bei spielsweise magnetisch leitfähig, z.B. Ferrit, so ändert der Zeiger beim Überstreichen des min destens einen Moduls den magnetischen Widerstand der Flachspule. Ist das Material dagegen nur elektrisch, aber nicht magnetisch leitfähig, z.B. Aluminium oder Messing, so entstehen, wenn die Flachspulen mit Wechselspannung versorgt werden, beim Überstreichen derselben Wirbelströme, welche dämpfend wirken.

Die genannten Materialien sind u.a. wegen ihrer Formbarkeit und leichten Verfügbarkeit vorteilhaft.

Alternativ kann der Zeiger auch als Leiterplatte mit mindestens einem passiven elektroni schen Bauelement ausgebildet sein.

Das Überstreichen des mindestens einen Moduls kann besonders gleichmäßig und in fes tem Abstand erfolgen, wenn mindestens eine Schiene und/oder ein Schlitten vorhanden sind, so dass der Zeiger mittels der Schiene und/oder des Schlittens parallel zur Ventilstange entlang des mindestens einen Moduls geführt wird.

Ein solcher Schlitten kann vorzugsweise aus einem Kunststoff, besonders bevorzugt ei nem Lagerwerkstoff, bestehen. Zudem kann es bei einer solchen Ausgestaltung von Vorteil sein, wenn der Zeiger auf den Schlitten aufgeklipst wird. Dies erleichtert unter anderem die Montage des Positionssensors. Wichtig ist, dass die Schienen, ggf. der Schlitten und der Zeiger weitestgehend spielfrei miteinander verbunden sind und dass die Schienen parallel zu der Mit telachse der Bewegung der Ventilstange ausgerichtet sind. Nur auf diese Weise ist ein gleich mäßiger Abstand des Zeigers zu dem bzw. den Modulen über den gesamten Hubbereich der Ventilstange sicher gewährleistet. Ebenso müssen die Leiterplatten der Module in gleicher Weise fixiert sein.

Besonders kompakt lässt sich die oben beschriebene Führung mittels mindestens einer Schiene verwirklichen, wenn die mindestens eine Schiene sich an dem mindestens einen Modul befindet.

Bei einem Positionssensor, wie er soeben beschrieben wurde, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kopplung des Zeigers an die Ventilstange durch einen Mitnehmerring an der Ventil stange erfolgt. Ein am Zeiger befestigter Stift läuft derart in einem Langloch oder einer Rille im Mitnehmerring, dass der Zeiger vertikalen Bewegungen der Ventilstange folgt, aber von Dreh bewegungen oder leichten Verschränkungen der Ventilstange entkoppelt ist. Mitunter hat die Ventilstange radiales Spiel in den Gleitlagern des Ventildeckels bzw. des Ventilgehäuses des Stellventils. Die Ventilstange ist auch Biegungen aufgrund von Kräften durch das Prozessme dium ausgesetzt. Von der genannten Koppeleinrichtung zwischen dem Zeiger und der Ventil stange, welche lediglich vertikale Bewegungen der Ventilstangenbewegung überträgt, werden mögliche Biegungen, Führungsspiel und Verdrehungen der Ventilstange nicht auf die Führung des Positionssensors übertragen. Der Positionssensor funktioniert dann auch zuverlässig, falls die Ventilstange nicht gegen Verdrehung gesichert ist. Der Mitnehmerring kann zur Fixierung des Stiftes beispielsweise mit einem Federelement versehen sein.

Ist zu jeder Flachspule oder bei paarweiser Anordnung jedem Paar von Flachspulen eine zusätzliche Rechteckspule vorhanden, mit der der Abstand zwischen der Rechteckspule und dem Zeiger bestimmt werden kann, so kann zusätzlich zu der oben beschriebenen Ausgestal tung des Positionssensors bei der Auswertung des Signals eine noch höhere Genauigkeit erzielt werden. Es ist dann ggf. keine Vorkehrung nötig, die eine solche Verdrehung verhindert oder den Zeiger von einer solchen Bewegung entkoppelt, da der Abstand zwischen Modul und Zeiger stets bekannt ist.

Falls der Zeiger eine Abschirm-Hülle aufweist, welche aus einem elektrisch und / oder magnetisch leitenden Material besteht und / oder geerdet ist, wobei die Abschirm-Hülle den Zeiger und das mindestens eine Modul in einer Umgebung des Zeigers umschließt, kann das mindestens eine Modul selbst besonders kostengünstig gestaltet werden, da auf eine spezielle Abschirmung desselben verzichtet werden kann.

Als Modul kann dann beispielsweise eine einfache vergossene Leiterplatte dienen, welche gegen Umwelteinflüsse (z.B. Klima, Feuchte) geschützt ist. Eine solche Abschirm-Hülle ist mit dem Zeiger verbunden und wird von diesem mitgenommen. Sie schirmt also nur den Bereich des mindestens einen Moduls ab, an dem das Signal für die Positionsbestimmung gemessen werden muss. Die Hülle ist dabei so gestaltet, dass sie das Modul in ausreichendem Abstand umschließt, dass die Messung des Signals nicht verfälscht wird. Durch die Verbindung mit dem Zeiger, der seinerseits mit der Ventilstange verbunden ist, kann die Erdung der Abschirm-Hülle sichergestellt sein. Als Material für die Abschirm-Hülle ist Ferrit besonders vorteilhaft.

Am einfachsten lässt sich der Positionssensor verschalten, wenn der Messwandler durch eine Mehrzahl von parallelen Leitungen derart mit jeder Flachspule oder bei paarweiser Anord nung jedem Paar von Flachspulen verbunden ist, dass er das Signal jeweils unabhängig von den übrigen Flachspulen messen kann. Die Ansteuerung der Leitungen zu den Flachspulen bzw. Paaren von Flachspulen kann beispielsweise durch einen Multiplexer verwirklicht sein.

Kompakter und mit weniger Leitungen, dafür aber elektronisch aufwändiger lässt sich der Positionssensor verschalten, wenn der Messwandler durch einen Datenbus mit jeder Flach spule oder bei paarweiser Anordnung jedem Paar von Flachspulen verbunden ist. Dazu ist an jeder Flachspule oder bei paarweiser Anordnung jedem Paar von Flachspulen auf der jeweiligen Leiterplatte ein Chip mit einer eigenen digitalen Identfikation vorhanden, so dass der Messwand ler das Signal jeweils unabhängig von den übrigen Flachspulen messen kann. Im Idealfall kön nen so alle Flachspulen bzw. Paare von Flachspulen über eine einzige Datenbus-Leitung, die sämtliche der vorgenannten Chips verbindet, angesteuert werden.

Vorzugsweise ist das Messverfahren ausgewählt aus: Differentialdrossel, Differential transformator, Induktivitätsmessung der Spulen, Dämpfung durch Wirbelströme.

Bei der Messanordnung als Differentialdrossel (vgl. Glossar) werden die Flachspulen ein zeln oder paarweise als Brückenwiderstände geschaltet.

Soll als Messanordnung der Differentialtransformator verwendet werden, kann der Zeiger zusätzlich mit einer Spule ausgestattet werden, die als Primärspule für die Transformatorschal tung dient. Alternativ kann, korrespondierend mit jedem Spulenpaar auf der Leiterplatte, eine jeweils weitere, dritte Flachspule als Primärspule dienen.

Der Zeiger ändert - sofern er magnetisch leitfähig ist - beim Überstreichen der Flachspu len den magnetischen Widerstand derselben. Diese Änderungen lassen sich mittels Induktivi tätsmessungen feststellen. Dieses Messprinzip ist wegen seiner Einfachheit besonders bevor zugt. Zudem ist der Energieverbrauch besonders niedrig, da an jede einzelne Spule nur für die Dauer einer solchen Induktivitätsmessung überhaupt eine Spannung angelegt werden muss.

Überstreicht ein elektrisch leitender Zeiger die Flachspulen, so entstehen Wirbelströme im Zeiger, die dämpfend wirken, wenn die Spulen mit Wechselspannung versorgt werden. Diese Dämpfung lässt sich ebenfalls als Messprinzip nutzen.

Der Messwandler des Positionssensors beinhaltet bevorzugt auch einen Mikrocontroller. Dies ermöglicht eine besonders effektive Ansteuerung der Flachspulen und Auswertung der Signale. Zudem kann die gleiche Steuerung für Positionssensoren mit unterschiedlich vielen Modulen verwendet werden.

Ein besonders niedriger Energieverbrauch des Positionssensors lässt sich dadurch errei chen, dass der Messwandler derart konfiguriert ist, dass nach einer Initialisierungsphase nur die Flachspule oder das Spulenpaar mit dem stärksten Signal und die unmittelbaren Nachbarn da von angesteuert werden.

In der Initialisierungsphase können z.B. die Signale von jeder Flachspule bzw. jedem Spu lenpaar miteinander verglichen werden, um zu ermitteln, wo der Zeiger sich gerade befindet. Alternativ kann diese Position von der vorangegangenen Messung in dem Messwandler gespei chert sein.

Ein wirksamer Schutz vor Umwelteinflüssen z.B. in einer prozesstechnischen Anlage wird erreicht, wenn das mindestens eine Modul in einem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse weist einen Schlitz auf, durch den der Zeiger in das Gehäuse hineinragen kann, um die mindes tens eine Flachspule zu überstreichen.

Besonders kostengünstig und präzise wird ein vor Umwelteinflüssen geschützter Positi onssensor, wenn eine Mehrzahl von Modulen mit Positioniervorsehungen, wie sie weiter oben beschrieben wurden, in einem Gehäuse angeordnet ist und das Gehäuse Zentrierungen auf weist. Dadurch, dass die Zentrierungen komplementär in die Positioniervorsehungen der Leiter platten der Module eingreifen, werden die Module präzise äquidistant zueinander ausgerichtet. Zugleich entfällt der Aufwand für die Fertigung mehrerer Gehäuse. Die Zentrierungen können beispielsweise die Form von Stiften haben, die in entsprechende Löcher eingreifen.

Noch kostengünstiger wird der vor Umwelteinflüssen geschützte Positionssensor, wenn das mindestens eine Modul in einem Gehäuse angeordnet ist und das Gehäuse durch Umgie ßen des mindestens einen Moduls hergestellt wurde.

Die Aufgabe wird zudem gelöst von einem Stellventil mit einem Positionssensor, wie er weiter oben beschrieben wurde.

Die Aufgabe wird außerdem durch eine prozesstechnische Anlage mit einem Stellventil, wie es soeben beschrieben wurde, gelöst.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die je weiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele be schränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischen werte und alle denkbaren Teilintervalle.

Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugs ziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsicht lich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Positionssensors mit einem einfachen Mo dul mit einem Paar dreieckiger Flachspulen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Stellventils mit einem erfindungsgemäßen

Positionssensor mit einem Modul mit drei Paaren von Flachspulen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Positionssensors an einem Stellventil, bei dem der Zeiger von Verdrehungen der Ventilstange entkoppelt ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Positionssensors an einem Stellventil, bei dem der Zeiger eine Abschirm-Hülle aufweist;

Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung des Positionssensors aus Fig. 4;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl verbundener Module mit Positio niervorsehungen in einem Gehäuse mit Zentrierungen; und Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl verbundener Module mit Positio niervorsehungen ohne zugehöriges Gehäuse.

Fig. 1 zeigt ein Modul 100 sowie den Zeiger 110 eines erfindungsgemäßen Positions sensors. Das Modul besteht aus einer Leiterplatte 120, auf der zwei dreieckige Flachspulen 130, 135 aufgedruckt sind. Auch die Anschlüsse 140, 145 der Flachspulen sind dargestellt. Bei dem Zeiger 110 handelt es sich typischerweise um ein "passives" Stück Metall oder Blech, welches sich in geringem Abstand (typischerweise wenige mm) berührungslos über dem Modul 100 be wegen kann. Der Zeiger 110 verändert durch den Grad der Überlappung die Induktivität der Flachspulen 130, 135, da sich der Metallanteil in der jeweiligen Luftspule verändert.

Der Zeiger kann magnetisch und/oder elektrisch leitend ausgebildet sein, je nach dem, welcher Effekt gemessen und ausgewertet werden soll. Bevorzugt ist der Zeiger magnetisch leitend, und es wird die Induktivität der Flachspulen 130, 135 betrachtet. Die Flachspulen 130, 135 sind als Spulenpaar konfiguriert. Das bedeutet insbesondere, dass sie punktsymmetrisch angeordnet sind: Das breite Ende der ersten Flachspule 130 befindet sich neben dem spitzen Ende der zweiten Flachspule 135, und umgekehrt. Diese Anordnung bewirkt, dass die Signale, die mit den Flachspulen 130, 135 erzeugt bzw. gemessen werden, jeweils ein entgegengesetz tes Verhalten zeigen: während z.B. das Signal der Spule 130 aufgrund einer Verschiebung des Zeigers 110 kleiner wird, wird das Signal der anderen Spule 135 entsprechend größer. Die Mes sungen an den beiden Spulen ergänzen sich daher und können so genauere Ergebnisse liefern. Durch die Differentialanordnung der beiden Flachspulen 130, 135 werden Effekte wie Tempe raturabhängigkeiten, Störeinkopplungen usw. eliminiert, da diese auf beide Flachspulen gleich ermaßen einwirken. In Fig. 1 steigt bei der Bewegung des Zeigers 110 nach unten z.B. die Induktivität der ersten Flachspule 130, während die Induktivität der zweiten Flachspule 135 fällt.

Die Auswerteschaltung (nicht dargestellt) erzeugt hierzu die Signale SFI (ansteigend) und SF2 (fallend), wenn sich der Zeiger 110 nach unten bewegt. Nach der folgenden Rechenvor schrift erhält man ein stabiles, störungsresistentes Signal, das von der Zeigerposition h abhängt:

S _diff (h) = (S _F2 (h) - S _Fi (h)) / (S _F2 (h) + S _Fi (h))

Der Energiebedarf eines solchen Positionssensors ist so gering, dass eine Stromversor gung mit 4-20 mA, wie sie in der Prozessindustrie zur Ventilansteuerung üblich ist, vollkommen ausreicht. Sensoren mit induktiven Messprinzipien und planaren Spulen sind generell sehr kos tengünstig, da die Basis des Sensors durch Aufdrucken von Leiterbahnen auf Leiterplattenma terial herstellbar ist. Als Messverfahren kommen z.B. Differentialdrossel, Differentialtransforma tor, Induktivitätsmessung der Spulen, Änderung der transformatorischen Überkopplung einer Sendespule in zwei Empfangsspulen oder Bedämpfung der Spulen durch Wirbelströme in Frage.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch ein Stellventil 200 zu sehen, das mit einem erfindungs gemäßen Positionssensor ausgestattet ist. Der Ventilkegel 210 wird vom pneumatischen An trieb 220 über die Ventilstange 230 angetrieben. Um die Position des Ventilkegels bzw. der Ventilstange zu bestimmen, ist an der Ventilstange 230 der Zeiger 240 des Positionssensors fest angebracht. Dieser überstreicht das neben der Ventilstange montierte Modul 250 des Po sitionssensors so weit, wie der Hub des Ventilkegels geht. Für den Hubbereich, über den hierbei Positionen gemessen werden sollen, sind in diesem Beispiel drei Paare 260, 265, 270 von Flachspulen, wie sie weiter oben beschrieben wurden, auf dem Modul 250 untergebracht. Um eine gleichmäßige und unterbrechungsfreie Messung zu ermöglichen, sind die Spulenpaare 260, 265, 270 derart versetzt angeordnet, dass die aufeinander folgenden Spulenpaare sich jeweils in Längsrichtung der Ventilstange 230 gleich weit überlappen. Der Zeiger 240 muss bei einer solchen Ausführung etwas länger ausgeführt werden, als bei einer Variante mit nur einem Spulenpaar. Typische Hubmessbereiche sind 15-40 mm.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Positionssensor dargestellt, der von Drehbewegungen der Ventilstange 300 entkoppelt ist. Zu diesem Zweck sind parallel zu dem Modul 310 - wieder in einer Ausführung mit drei Paaren 320, 325, 330 von Flachspulen - zwei Führungsschienen 340, 345 vorhanden, an denen der Zeiger 350 geführt wird. Der Zeiger 350 bleibt somit immer in konstantem Abstand parallel zu dem Modul 310. Die Kopplung des Zeigers 350 an die Ven tilstange 300 erfolgt hierbei über einen Mitnehmerring 360 an der Ventilstange und einen fest mit dem Zeiger 350 verbundenen Mitnehmerstift 370, der in Längsrichtung der Ventilstange von dem Mitnehmerring 360 mitbewegt wird, in tangentialer Richtung aber genügend Spiel hat. Der Mitnehmerring 360 ist starr mit der Ventilstange 300 verbunden. Der Mitnehmerstift 370 ist glatt ausgeführt und liegt entweder auf der oberen Fläche des Mitnehmerrings 360 auf, wobei er mit einem Federelement (nicht dargestellt) auf den Mitnehmerring gedrückt wird, oder der Mitneh merstift wird formschlüssig in einem Langloch (nicht dargestellt) des Mitnehmerrings geführt.

Die Führung des Zeigers 350 an den Schienen 340, 345 erfolgt weitestgehend reibungs frei. Um dies zu gewährleisten, kann der Zeiger mit einem separaten Schlitten (nicht dargestellt) ausgestattet sein, der auf den Schienen 340, 345 läuft. Die Schienen können dabei als Gleit stangen ausgeführt sein. Der Schlitten hat den Vorteil, dass er, insbesondere im Bereich der Gleitbuchsen, aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen kann, der z.B. für besonders geringe Reibung optimiert ist. Für diesen Zweck sind besonders Lagerwerkstoffe hervorragend geeignet. Der Zeiger 350, der vorzugsweise magnetisch und/oder elektrisch leitend ist, also typischerweise aus Ferrit oder aus Blech oder anderen metallischen Werkstoffen besteht, kann auf den zumindest teilweise nichtmetallischen Schlitten vorzugsweise aufgeklipst oder aufge steckt sein. Es sind aber auch viele andere geeignete Verbindungsarten bekannt.

Alternativ (nicht dargestellt) kann der Zeiger als Leiterplatte ausgeführt sein, auf der min destens ein passives elektronisches Bauelement, z.B. eine Spule oder ein Kondensator, ange ordnet ist. Wegen der geringeren Stabilität eines solchen Zeigers ist eine Ausführung mit Füh rungsschienen dafür besonders vorteilhaft.

Eine Ausführungsform des Positionssensors wie in Fig. 3 ist deshalb sinnvoll, weil Ventil stangen bei pneumatisch angetriebenen Stellventilen in vielen Fällen nicht gegen Verdrehungen gesichert sind. Die typischerweise auftretenden Verdrehungen um wenige Grad reichen aus, um bei den für den Positionssensor in Frage kommenden Messprinzipien die Positionsbestim mung deutlich zu beeinflussen, wenn der Zeiger starr mit der Ventilstange verbunden ist. Dies kann bei der Signalauswertung kompensiert werden, wenn z.B. mit Hilfe zusätzlicher Spulen der Abstand zwischen Zeiger und Modul erfasst wird. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführung ist jedoch weniger kompliziert und weniger fehleranfällig.

Bei Anwendungen in der Prozessindustrie ist es von Vorteil, wenn die Flachspulen des Positionssensors gegen Umgebungseinflüsse, insbesondere Störfelder, abgeschirmt sind. Je größer die zu messenden Hübe sind, desto aufwändiger gestaltet sich dies jedoch. Bei beson ders großen Hüben kann es daher vorteilhaft sein, die Abschirmung mit dem Zeiger zu verbin den, wie es in den Fig. 4 und Fig. 5 zu sehen ist.

Aufgrund des größeren Hubs ist das dort dargestellte Modul 400, 500 mit 7 Paaren von Flachspulen ausgestattet, welche in der bereits beschriebenen Weise versetzt überlappend an geordnet sind. Das Modul kann (z.B. durch Umgießen der Leiterplatte) auf einfache Weise ge gen Umwelteinflüsse wie z.B. Staub oder Feuchtigkeit geschützt sein.

Der Zeiger 410, 510 der mit der Ventilstange 420, 520 verbunden ist, weist hierbei eine Abschirm-Hülle 430, 530 auf. Diese ist mit dem Zeiger fest verbunden und nimmt somit an der Hubbewegung von Zeiger und Ventilstange teil. Die Abschirm-Hülle 430, 530 umgibt dabei den Bereich des Moduls 400, 500, an dem sich der Zeiger gerade befindet und an dem also gerade gemessen wird. Sie ist so bemessen, dass eine hinreichende Abschirmung elektromagnetischer Störfelder stattfinden kann. Die Abschirm-Hülle ist dabei so gestaltet, dass sie zu den Flachspu len immer einen ausreichend großen Abstand hat, so dass sie das zu messende Signal ihrer seits nicht verfälschen kann.

In der Ausführung von Fig. 4 und 5 hat die Abschirm-Hülle in Längsrichtung der Ventil stange 420, 520 einen U-förmigen Querschnitt. In Fig. 4 (Schrägdarstellung) ist zu erkennen, in welcher Weise die Abschirm-Hülle 430 das Modul 400 umgibt.

Fig. 5 zeigt eine seitliche Draufsicht. Hier ist insbesondere zu erkennen, dass die Ab schirm-Hülle 530 in Längsrichtung der Ventilstange 520 genügend ausgedehnt ist, dass der für eine Messung gerade relevante Bereich überdeckt und damit abgeschirmt ist. Die Abschirm- Hülle 430, 530 kann in leitenderWeise mit dem Zeiger 410, 510 und damit typischerweise auch mit der Ventilstange 420, 520 verbunden sein, was in aller Regel für eine Erdung (GND) sorgt. Um die Abschirmeigenschaften weiter zu optimieren, ist auch eine Kabelverbindung mit der Auswerteelektronik möglich.

Sind noch größere Hubbereiche zu messen, oder sollen sehr unterschiedliche Hubberei che durch ansonsten gleichartige Positionssensoren erfassbar sein, ist es zweckmäßig, Aus führungen des erfindungsgemäßen Positionssensors mit mehreren Modulen vorzusehen. Die Länge der herzustellenden Leiterplatten kann dann klein und einheitlich gehalten werden. Ins besondere können sehr lange Leiterplatten vermieden werden, da deren Herstellung kostenin tensiv ist. Eine derartige Ausführung ist in den Fig. 6 und Fig. 7 zu sehen.

In Fig. 6 sind zwei Module 600, 605 dargestellt, die jeweils über vier Paare von Flachspu len verfügen, die in der bereits beschriebenen Weise versetzt überlappend angeordnet sind. Damit sich diese Anordnung an der Verbindung der Module nahtlos fortsetzt, weisen die Leiter platten, aus denen die Module bestehen, an ihren Enden jeweils eine entsprechend groß aus gebildete Versatz-Stufe aus. Um sicherzustellen, dass die Abstände der Spulen auch von einem Modul zum anderen präzise genug sind, weisen die Module Positioniervorsehungen, hier in Form von Positionierlöchern 610 auf, die Zentrierungen aufnehmen. Die Zentrierungen sind in diesem Fall in Form von Indexstiften 620 verwirklicht, welche Teil des gemeinsamen Gehäuses 630 sind, in dem die Module untergebracht sind. Die Länge des Gehäuses wird so gestaltet, dass die gewünschte Anzahl von Modulen hineinpasst. Energieversorgung und Signale können beispielsweise durch eine Kabelverschraubung zu- und abgeführt werden (nicht dargestellt).

Fig. 7 zeigt ebenfalls zwei Module 700, 705 mit jeweils vier Paaren von Flachspulen. Hier ist zu sehen, dass die Verbindung der Module über elektrische Kontaktelemente 740 erfolgt, die z.B. auf der Unterseite der Leiterplatten an ihren Längsenden angebracht sein können. Diese Kontaktelemente sind vorzugsweise als Federkontakte gestaltet, welche ein einfaches Verbin den und Trennen ermöglichen und zugleich gute Kontakteigenschaften aufweisen. Auch in Fig. 7 sind die Positionierlöcher 710 gut zu erkennen, die dazu dienen, Zentrierungen bzw. Index stifte aufzunehmen und so genaue Abstände zwischen den Flachspulen auch über die Modul übergänge hinaus zu gewährleisten.

Die für die Auswerteschaltung benötigten Elektronikbauteile wie Mikrokontroller, Verstär ker, passive Bauelemente usw. müssen nur auf einem der Module vorhanden sein. Alternativ können sie komplett getrennt an einer anderen Stelle montiert sein, was den Vorteil hat, dass alle Module baugleich sein können. Die signalführenden Leiterbahnen der verschiedenen Flach spulen bzw. Paare von Flachspulen werden über die Kontaktelemente zu dieser Auswerteelekt ronik geführt und dort zentral verarbeitet.

Ein Beispiel für die Signalauswertung soll anhand von Tabelle 1 erläutert werden. Hier sind die Flachspulenpaare (und damit Bereiche des Hubs, der gemessen wird) mit Buchstaben (A, B, C, ...) bezeichnet, die einzelnen Flachspulen eines Paars mit pc_1 bzw. pc_2. S_C_pc_1 bezeichnet also das Signal der ersten Flachspule des Spulenpaars in Hubbereich C. Die zuge hörigen stabilen Differenzsignale Sig_diff werden wie oben beschrieben gebildet.

Tabelle 1 behandelt die Hubbereiche B-D, wobei B bei h = 0% beginnt und D bei h = 260% endet „n.d.“ bedeutet hierbei, dass der Signalpegel für eine Auswertung zu gering ist. Für Aus wertezwecke werden nun Bereiche festgelegt, in denen das Differenzsignal zur Hubmessung verwendet werden soll, z.B. indem Grenzen für den Betrag des Differenzsignals gefordert wer den.

In Tabelle 1 ist dies beispielhaft für Differenzsignale, die betragsmäßig kleiner oder gleich 0,8 sind, dargestellt (hervorgehobener Bereich). Für Bereich C ergibt sich der Gesamthub aus der Summe des Offsetwerts für Bereich C (d.h. der Hub, bei dem sich Bereich C, von Hub 0 an gerechnet, befindet) plus dem gemessenen Hubwert, der sich aus der Position des Zeigers bzw. den Signalen der Flachspulen in Bereich C ergibt.

Die Auswahl des aktiv zu messenden Bereichs kann z.B. dadurch erfolgen, dass immer zunächst alle Signale abgefragt und verglichen werden. Nur die Signale, welche den höchsten Pegel besitzen oder einen Mindestpegel überschreiten, können verlässlich zur Hubmessung herangezogen werden. Um Strom zu sparen, kann jeweils nur ein für die Hubmessung relevan ter Teil aller Flachspulen angesteuert werden, beispielsweise nach folgendem Verfahren:

Zunächst werden alle Flachspulen oder Spulenpaare kurz angesteuert, um eine Aus sage zu erhalten, welches Spulenpaar den höchsten Pegel besitzt (Startpunktfin dung).

Danach wird nur noch das momentan benötigte Spulenpaar und die beiden direkt benachbarten angesteuert, um einen Übergang in den jeweils nächsten Bereich mit zubekommen. Es kann auch nur das momentan benötigte Spulenpaar und das, auf welches sich der Zeiger gerade zubewegt, angesteuert werden. Welches Paar das ist, bestimmt sich aus dem Vorzeichen der zeitlichen Ableitung des Hubs.

Glossar

Differentialdrossel

Elektrisch stellt ein Messgerät nach dem Differentialdrosselprinzip eine Wheatstonesche Halbbrücke dar, die aus zwei Messspulen besteht. Ein ferromagnetischer Kern ist so justiert, dass in seiner Null- bzw. Ruhestellung beide Messspulen den gleichen Scheinwiderstand auf weisen. Die Brückenschaltung ist damit abgeglichen, die Messspannung folglich Null. Wird der Kern aus seiner Null- bzw. Ruhestellung herausbewegt, so ändern sich die Scheinwiderstände der beiden Messspulen gegensinnig und die Messspannung wächst innerhalb des Messberei ches proportional mit der Verschiebung des Kerns.

Differentialtransformator

Ein Differentialtransformator ist eine Spezialform eines Transformators. Er besteht in der Regel aus einer Primärspule und zwei Sekundärspulen. Letztere sind gegenphasig in Reihe geschaltet, dadurch subtrahieren sich die Spannungen an ihren Anschlüssen. Die resultierende Spannung ist genau dann Null, wenn die beiden Spulen und die gesamte Konstruktion symmet risch aufgebaut sind. Wird die Symmetrie gestört, so entsteht eine Ausgangsspannung, deren Phase in Bezug zur Erregung (Primärspannung) die Richtung und deren Wert die Größe der Asymmetrie angibt. Dieses Prinzip wird häufig bei Wege- und bei Rotationsmessungen verwen det. (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Differentialtransformator)

Ferrit

Ferrite sind elektrisch schlecht oder nicht leitende ferrimagnetische keramische Werkstoffe aus dem Eisenoxid Hämatit (Fe ₂ C> ₃ ), seltener aus Magnetit (FesCL) und aus weiteren Metalloxi den oder-karbonaten. Je nach Zusammensetzung sind Ferrite hart- oder weichmagnetisch. Die chemische Zusammensetzung von Ferriten kann durch die allgemeine Formel MeOFe ₂ C> ₃ be schrieben werden. Bei weichmagnetischen Ferriten kommen als weitere Metalle (Me) Nickel, Zink, Mangan, Cobalt, Kupfer, Magnesium oder Cadmium zum Einsatz, bei hartmagnetischen Ferriten Barium, Strontium oder Kobalt.

In einem Ferrit kommen auf drei Metall- ungefähr vier Sauerstoff-Atome. Die Metalle und der Sauerstoff bilden ein kubisches Kristallsystem, innerhalb dessen die Legierungsbestandteile eingelagert sind. Die Kristallsysteme wachsen zu unterschiedlich großen Körnern heran. Da die Außengrenzen der Körner aus nichtleitendem Fe ₂ C> ₄ bestehen, sind sie elektrisch gegeneinan der isoliert. Dies ist besonders für weichmagnetische Ferrite wichtig, weil dadurch das Ferritma terial praktisch nichtleitend ist und somit Magnetkerne mit äußerst geringen Kernverlusten her zustellen sind. Weichmagnetische Ferrite werden in der Elektrotechnik als Magnetkerne in Transformato ren, Schaltnetzteilen, Drosseln und in Spulen eingesetzt. Im nicht gesättigten Fall ist eine hohe magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) möglich. Da sie kaum elektrisch leitfähig sind und da her nahezu keine Wirbelstromverluste auftreten, sind sie auch für hohe Frequenzen bis zu eini gen MHz geeignet.

Hartmagnetische Ferrite werden als kostengünstige Dauermagnete beispielsweise in Laut sprechern eingesetzt.

(Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Ferrite)

Flachspule

Bei einer Flachspule handelt es sich um eine Spule in flacher Spiralform. Der Spulenquer schnitt kann hierbei z.B. rechteckig sein. Flachspulen werden oft als spiralförmige Leiterbahn direkt auf einer Leiterplatte realisiert.

Stellventil

Stellventile, auch Prozess- oder Regelventile genannt, dienen zur Drosselung bzw. Rege lung fluidischer Ströme. In einer Durchflussöffnung eines Ventilsitzes wird zu diesem Zweck ein Verschlussteil mittels einer Ventilstange und eines Antriebs bewegt. Dadurch kann die Durch flussöffnung freigegeben oder abgeschlossen werden, wodurch die Durchflussmenge verändert wird.

Zeiger

Dies bezeichnet ein in eine Richtung gegenüber den beiden dazu senkrechten Richtungen deutlich ausgedehntes Element. Typischerweise ist ein Zeiger stabförmig, er kann aber auch abgeflacht sein. Der Zeiger kann in seiner Längsrichtung an einem Ende spitz zulaufend aus gebildet sein, dies ist aber nicht zwingend. Die Bezeichnung rührt daher, dass ein solches Ele ment dafür geeignet sein kann, etwas anzuzeigen.

Tabelle 1

Bezugszeichen Modul Zeiger Leiterplatte erste Flachspule zweite Flachspule Anschlüsse der ersten Flachspule Anschlüsse der zweiten Flachspule Stellventil Ventilkegel pneumatischer Antrieb Ventilstange Zeiger Modul Paar von Flachspulen Paar von Flachspulen Paar von Flachspulen Ventilstange Modul Paar von Flachspulen Paar von Flachspulen Paar von Flachspulen Führungsschiene Führungsschiene Zeiger Mitnehmerring Mitnehmerstift Modul Zeiger Ventilstange Abschirm-Hülle Modul Zeiger Ventilstange Abschirm-Hülle Modul Modul Positioniervorsehung bzw. Positionierloch Zentrierung bzw. Indexstift Gehäuse Modul Modul Positioniervorsehung bzw. Positionierloch Kontaktelemente

zitierte Literatur zitierte Patentliteratur

DE 10048435 A1 EP 861 417 B1 EP 1 083408 B1 EP 2 834601 B1 EP 3365634 B1