Steuerelements für ein Ventilsvstem in einer Wasserbehandlungsanlage Die Erfindung betrifft eine Wasserbehandlungsanlage, umfassend

- mindestens einen Behälter mit Mitteln zur Wasserbehandlung, die

insbesondere eine periodische Regeneration erfordern,

- ein Ventilsystem zum Steuern von Volumenströmen in der

Wasserbehandlungsanlage mit einem beweglichen Steuerelement, sowie einem in einem Gehäuse des Ventilsystems stationär angeordneten

Gegenelement, wobei das Steuerelement an dem Gegenelement dichtend anliegt und nacheinander, periodisch wiederholt in mindestens zwei

Betriebspositionen eines Betriebszyklus mit unterschiedlich ausgestalteten Ventilfunktionen relativ zum Gegenelement bewegt werden kann,

- einen Sensor zur Bestimmung der aktuellen Position des Steuerelements relativ zum Gegenelement.

Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wasserbehandlungsanlage. Eine solche Wasserbehandlungsanlage ist aus der DE 42 27 135 C2

(=Referenz [1 ]) oder auch aus der 25 Jahre jüngeren WO 2017/117026 A1 (=Referenz [2]) bekannt.

In Haushalten oder auch in technischen Anlagen wird aus vielfältigen Gründen oftmals behandeltes, insbesondere enthärtetes Wasser gewünscht oder benötigt. Häufig werden dafür Wasserenthärtungsanlagen eingesetzt, die auf lonentauscherharz basieren. Ein lonentauscher nimmt die Härtebildner

(Calzium- und Magnesiumionen) auf und gibt dafür nicht härtebildende Ionen (meist Natriumionen) ab. Das lonentauscherharz kann dabei nur eine begrenzte Menge an Härtebildnern binden (Erschöpfung des lonentauscherharzes) und muss daher von Zeit zu Zeit regeneriert werden. Für die Regeneration wird typischerweise das lonentauscherharz einer Salzsole ausgesetzt. Während der Regeneration kann das lonentauscherharz keine Enthärtungsfunktion wahrnehmen. In der EP 2 385 020 B1 (=Referenz [3]) wird die Regeneration eines lonentauscherharzes einer Enthärtungsvorrichtung beschrieben, wobei eine Salzsole während ihres Transports zur Enthärtungsvorrichtung in einen Strom von Verdünnungswasser zudosiert wird.

Aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen ist es oft notwendig oder erwünscht, kein vollenthärtetes Wasser, sondern Wasser mit einer mittleren, jedoch eng definierten Wasserhärte zur Verfügung zu haben. So kann vollständig enthärtetes Wasser zu Korrosionsproblemen führen, wenn eine Schutzschichtbildung in der nachgeschalteten Rohrleitungsinstallation nicht mehr möglich ist. Zudem wird bei einer Vollenthärtung die Kapazität des Enthärters schnell erschöpft, und es muss frühzeitig regeneriert werden. Dies ist mit einem hohen Salzverbrauch und damit hohen Kosten verbunden. Zur Durchführung einer Teilenthärtung werden -wie etwa in der EP 3 083 503 A1 (=Referenz [4]) beschrieben- automatische Verschneideeinrichtungen zum Mischen von enthärtetem Wasser (auch als Reinwasser oder Weichwasser bezeichnet) und Rohwasser eingesetzt. In der Regel ist es erwünscht, die Wasserhärte im Verschnittwasser, das ist das Gemisch von enthärtetem

Wasser und Rohwasser, auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen. Eine weitere Art der Wasserbehandlung kann eine Filtration des Wassers umfassen. Wasserfilter, wie sie üblicherweise in einer Trinkwasserinstallation eingesetzt werden, filtern ungelöste Partikel wie Rostteilchen oder Sandkörner aus dem Wasser. Die Partikel bleiben dabei an einem Siebfilter mit

Durchlässen, die enger sind als die auszufilternden Partikel, hängen. Diese Filtration führt in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Wasserqualität zum Aufbau eines so genannten Filterkuchens am Siebfilter. Daher müssen die Filter von Zeit zu Zeit gereinigt werden, was in der Regel durch eine -automatisier- bare- mechanische Abreinigung des Siebfilters mittels Rückspülung der betroffenen Filtereinheit erfolgt. Einen solchen rückspülbaren Wasserfilter beschreibt beispielsweise die EP 1 110 589 B1 (=Referenz [5]).

Um diese Arten der Wasserbehandlung möglichst auch automatisierbar durchführen zu können, sind entsprechend ausgebildete, in der Regel elektronisch ansteuerbare, Ventilsysteme zur gewünschten Steuerung von Flüssigkeitsströmen in der Wasserbehandlungsanlage erforderlich.

Die eingangs zitierte gattungsbildende DE 42 27 135 C2 (=Referenz [1]) beschreibt ein Ventilsystem für eine lonenaustauscheranlage mit einem Paar von relativ zueinander um eine gemeinsame Achse drehbaren Scheiben, die Durchgangsöffnungen und Kanäle aufweisen. In unterschiedlichen

Drehwinkeln, d.h. in unterschiedlichen Winkel-Positionen der Scheiben zueinander, werden unterschiedliche Öffnungen und Kanäle der beiden

Scheiben miteinander verbunden. Auf diese Weise wird die Ventilfunktion realisiert. Ist eine der beiden Scheiben fest angeordnet und die andere Scheibe drehbar, so werden bei einer vollen Umdrehung der beweglichen Scheibe, also einer Drehung um 360°, alle auf dem Scheibenpaar integrierten

Ventilfunktionen einmal geschaltet. Zur Erfassung der Position der beweglichen Scheibe und zur Steuerung des Ventilsystems dient beispielsweise ein

Nockenschalter. Auch die -ebenfalls gattungsbildende- WO 2017/117026 A1 (=Referenz [2]) offenbart ein Steuerventil für ein Wasserbehandlungssystem mit einer stationären Scheibe und einer durch einen Elektromotor drehbar antreibbaren Regenerationssteuerscheibe. Die Bestimmung der Position der Regenerations- steuerscheibe erfolgt mittels eines an die Regenerationsscheibe gekoppelten Kodierrades und einem optischen, magnetischen oder anderen Sensor. Zur sicheren Vermeidung einer Umkehr der Rotationsrichtung der Regenerations scheibe relativ zur stationären Scheibe ist zudem eigens eine Sperrklinke („anit- reverse pawl“) vorgesehen.

Speziell die Verwendung eines Hall-Sensors oder eines optischen Sensors zum Erfassen des Drehwinkels eines Signalgeberrads wird -allerdings in einem von der Wasserbehandlung völlig unterschiedlichen technischen Zusammenhang- etwa in DE 10 2016 208 649 A1 (=Referenz [6]) näher erläutert.

Nachteilig bei den bekannten Wasserbehandlungsanlagen ist, dass ausgehend von einer ersten Betriebsphase immer eine Rotation des Steuerelements um einen vollen Kreis (360°) und somit ein Durchlaufen aller weiteren

Betriebsphasen erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs definierten Art für eine Wasserbehandlungs anlage mit einem Ventilsystem zum Steuern der Volumenströme auf technisch möglichst einfache und kostengünstige Weise so zu modifizieren, dass damit ein schnelleres Einstellen einer anderen Betriebsposition ausgehend von einer vorherigen Betriebsposition ermöglicht wird, wobei die aktuelle Position des Steuerelements auf einfache Art und Weise exakt bestimmt werden kann und damit unerwünschte Ventilstellungen sicher vermieden werden. Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wasserbehandlungs anlage der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Vorrichtung zur Umkehrung der Bewegungsrichtung des Steuerelements relativ zum Gegenelement vorhanden ist, mittels welcher die Bewegungsrichtung des Steuerelements pro Betriebszyklus mindestens einmal umgekehrt werden kann, und dass mit dem Sensor zur Bestimmung der aktuellen Position des

Steuerelements relativ zum Gegenelement eine Referenzposition des

Steuerelements bestimmt werden kann, wobei die Referenzposition zu den einzelnen Betriebspositionen jeweils um einen Abschnitt x > 0 versetzt ist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird sichergestellt, dass keine unerwünschten Verbindungen zwischen bestimmten Öffnungen und Kanälen auf den in der Regel scheibenförmigen Elementen hergestellt werden.

Unerwünschte Verbindungen können beispielsweise zu einem unkontrollierten Verschnitt von behandeltem und unbehandeltem Wasser oder zu einer

Verbindung eines Spülkanals mit einem Kanal für behandeltes Wasser führen. Um dies zu vermeiden, kann es notwendig sein, die Steuerscheibe abhängig vom Aufbau des Ventilsystems lediglich in bestimmten Winkelbereichen zu bewegen. Eine volle Umdrehung (Drehung um 360°) zur Realisierung aller Ventilfunktionen ist in diesem Fall dann nicht möglich. Ein Motor, der die

Steuerscheibe antreibt, muss folglich in beide Richtungen drehen können, damit sämtliche Stellungen der Steuerscheibe, die für den Betrieb und die

Regeneration einer Wasserbehandlungsanlage notwendig sind, angesteuert werden können.

Je nach Aufbau der Steuerscheibe kann eine Umkehr der Motordrehrichtung auch dafür sinnvoll sein, um die nächste Position auf kürzerem, möglichst auf kürzestem Wege anzufahren, was wiederum Zeit einspart und vor allem den Verschleiß der Anlage reduziert. Ändert sich bei einem Motor die Drehrichtung, so tritt aufgrund von

mechanischer Hysterese ein Spiel (Bewegungsfreiraum) zwischen der

Steuerscheibe und mechanischen Komponenten auf, die zur Weiterleitung des Antriebsmomentes des Motors dienen. Als Folge davon kann es nach Umkehr der Drehrichtung zu Ungenauigkeiten beim Drehen der Steuerscheibe von einer Ventilfunktion (z.B. Enthärtungsbetrieb einer Wasserenthärtungsanlage) in eine folgende Ventilfunktion (z.B. Regenerationsbetrieb der Wasserenthärtungs anlage) kommen. Wird eine erste Betriebsposition, beispielsweise mittels eines (Hall-)Sensors, exakt bestimmt (-‘Referenzposition“), so kann die folgende weitere Betriebsposition aufgrund des Spiels nach Umkehr der Drehrichtung nicht mehr exakt angesteuert werden, obwohl der erforderliche Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit des Motors durchaus bekannt sind. Für die exakte Bestimmung der weiteren Betriebsposition müsste dann ein zweiter Sensor herangezogen werden. Dieser wird durch die vorliegende Erfindung eingespart.

Das bewegliche Steuerelement und das stationär angeordnete Gegenelement können aus dem gleichen, aber bei speziellen Einsatzzwecken auch aus unterschiedlichem Material sein. Prinzipiell können Kunststoffe, keramische oder metallische Werkstoffe eingesetzt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung Eine Klasse von besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungs gemäßen Wasserbehandlungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass ein Motor, vorzugsweise ein Elektromotor, vorzugsweise ein Schrittmotor, zur automatisierbaren Bewegung des Steuerelements vorhanden ist. Der

Schrittmotor hat insbesondere die positive Eigenschaft, dass seine

Geschwindigkeit immer konstant ist unabhängig von der Last. In bevorzugten Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen kann die Position des Steuerelements ganz einfach und ohne großen Aufwand aus der Referenzposition, der Bewegungsgeschwindigkeit v des Steuerelements sowie aus der Laufzeit T des Elektromotors ermittelt werden.

Eine weitere Klasse von vorteilhaften Ausführungsformen ist dadurch

gekennzeichnet, dass das Steuerelement als eine rotierbare Steuerscheibe mit mehreren Durchgangsöffnungen und das Gegenelement als eine stationär angeordnete Gegenscheibe mit mehreren Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, wobei die Referenzposition zu den einzelnen Betriebspositionen jeweils um einen Drehwinkel a _x > 0° versetzt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass für den Drehwinkel gilt: a _x > 5°, insbesondere a _x > 10°.

Der Sensor nimmt einen bestimmten Platz in Anspruch und misst ein vom Drehwinkel a _x abhängiges Signal, das eine gewisse Breite B aufweist. Für eine optimale Auswertung und genaue Ansteuerung der Betriebsposition sollte die Betriebsposition nicht allzu weit im Winkelbereich des Signals der Referenz position liegen. Für die Auswertung der Messsignale (z.B. Rauschfilterung, Mittelwertbildung) wird Zeit benötigt, während der die weiterdrehende

Steuerscheibe die nächste Betriebsposition (=Stopp-Position) nicht

überschritten haben darf.

Bei einer ergänzenden oder dazu alternativen Weiterbildungen gilt: ai < B/2, mit ai: Drehwinkel bezogen auf eine der Betriebspositionen, die den zulässigen Drehbereich der Steuerscheibe begrenzen, B: Breite des vom Sensor erfassten Signals. Befindet sich die Steuerscheibe in einer unbekannten Stellung, etwa bei Betriebsstart oder nach Unterbrechung der Energieversorgung, so kann die Steuerscheibe gedreht werden, bis eine gewünschte Betriebsposition erreicht ist, ohne dass Bereiche überfahren werden, in denen unzulässige

Verbindungen von Durchgangsöffnungen gebildet werden.

Anstelle einer Steuerscheibe, die eine Drehbewegung ausführt, kann bei einer Klasse von dazu alternativen Ausführungsformen das Steuerelement prinzipiell auch als ein Steuerkolben ausgebildet sein, der eine lineare Hin- und Her- Bewegung ausführt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind dadurch gekenn zeichnet, dass der Sensor als relativ zum Gehäuse des Ventilsystems, insbesondere relativ zum Gegenelement, ortsfest angeordneter Hall-Sensor, optischer Sensor, induktiver Sensor, Ultraschall-Sensor oder Radar-Sensor ausgebildet ist.

Bei Weiterbildungen dieser Ausführungsformen mit einem Hall-Sensor kann es günstig sein, wenn ein Magnet derart auf oder in dem beweglichen

Steuerelement positioniert ist, dass der Hall-Sensor ein Signalmaximum erfasst, wenn sich das Steuerelement in der Referenzposition befindet.

In der Praxis bewähren sich auch Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen zwischen dem Steuerelement und dem Gegenelement je nach

Werkstoffauswahl zusätzlich mindestens ein Dicht- und/oder Gleitelement angeordnet ist.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb einer Wasserbehandlungsanlage der erfindungsgemäßen Art, welches sich dadurch auszeichnet,

dass die Bewegungsrichtung des Steuerelements pro Betriebszyklus

mindestens einmal umgekehrt wird,

und dass eine Referenzposition des Steuerelements mittels des Sensors bestimmt wird, wobei die Referenzposition zu den einzelnen Betriebspositionen jeweils um einen Abschnitt x > 0 versetzt ist, und wobei die aktuelle Position des Steuerelements aus der Referenzposition, der Bewegungsgeschwindigkeit v und der Laufzeit T des Elektromotors ermittelt wird.

Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Wasserbehandlungsanlage mit rotierender Steuerscheibe, die vorsieht, dass die Steuerscheibe mit einer Winkelgeschwindigkeit w gegen die stationäre Gegenscheibe rotiert wird, wobei in den verschiedenen Betriebspositionen unterschiedliche Durchgangsöffnungen der Steuerscheibe und der

Gegenscheibe miteinander verbunden werden, und wobei die Referenzposition zu den einzelnen Betriebspositionen jeweils um einen Drehwinkel a _x > 0 versetzt ist.

Während eines Betriebszyklus wird die Steuerscheibe aus einer ersten

Betriebsposition in mindestens eine weitere Betriebsposition gedreht, bevor sie wieder in die erste Betriebsposition zurückkehrt und ein neuer Betriebszyklus beginnt. Bei den verschiedenen Betriebspositionen sind unterschiedliche Durchgangsöffnungen der Steuerscheibe und der Gegenscheibe miteinander verbunden, so dass unterschiedliche Volumenströme durch die

Wasserbehandlungsanlage realisiert werden.

Bei einer Wasserenthärtungsanlage kann beispielsweise in einer ersten Betriebsposition hartes Wasser durch die Behandlungseinheit, in der Regel ein lonenaustauscherharz, fließen und dadurch enthärtet werden. Das enthärtete Wasser fließt anschließend durch einen Ausgang der Wasserenthärtungs anlage und steht dem Verbraucher zur Verfügung. In der zweiten Betriebs position wird das lonenaustauscherharz regeneriert. Hierzu fließt eine

Regeneriermittellösung durch das lonenaustauscherharz und von dort in einen Spülkanal. Der Wasserfluss der ersten Betriebsposition ist dabei unterbrochen. Nach Abschluss der Regeneration kann der Enthärtungsprozess fortgeführt werden. Hierzu wird wieder in die erste Betriebsposition gewechselt und ein neuer Betriebszyklus beginnt.

Um von der zweiten Betriebsposition in die erste Betriebsposition

zurückzukehren, könnte die Steuerscheibe prinzipiell weitergedreht werden, bis die erste Betriebsposition wieder erreicht wird, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Steuerscheibe dreht dann ausschließlich in eine Richtung, um sämtliche Betriebspositionen zu realisieren. Mit der vorliegenden Erfindung wird es allerdings ermöglicht, die Steuerscheibe mittels Umkehr der Rotationsrichtung zurückzudrehen, um die erste Betriebsposition wieder zu erreichen. Die Drehrichtung der Steuerscheibe wechselt in diesem Fall während eines Betriebszyklus.

Eine Umkehr der Drehrichtung findet insbesondere dann statt, wenn bestimmte Stellungen von Steuerscheibe und Gegenscheibe zueinander zu unzulässigen Verbindungen von Durchgangsöffnungen führen würden. Bei einer Rotation der Steuerscheibe ohne Änderung der Drehrichtung muss diese eine volle

Umdrehung (Drehung um 360°) ausführen, um zum Ausgangspunkt

zurückzukommen. Dabei würden zwangsweise auch unerwünschte Stellungen der beiden Scheiben zueinander zumindest kurzzeitig realisiert werden.

Darüber hinaus können durch Umkehr der Drehrichtung einzelne Positionen je nach Lage der Durchgangsöffnungen auf kürzestem Weg angefahren werden, was den Verscheiß von gegeneinander beweglichen Bauteilen reduziert.

Bei Umkehr der Drehrichtung eines Motors, insbesondere eines Elektromotors, macht sich ein mechanisches Spiel (Bewegungsfreiraum) zwischen den einzelnen Antriebskomponenten bemerkbar, was dazu führt, dass eine gewisse Zeit nach Umkehr der Motordrehrichtung vergeht, bis die Steuerscheibe beginnt sich zu drehen. Dadurch kann nach Umkehr der Drehrichtung die Position der Steuerscheibe nicht exakt aus der Laufzeit T und der Winkelgeschwindigkeit w des Motors abgeleitet werden. Es ist aber jederzeit möglich, mit Hilfe der Bestimmung einer Referenzposition der Steuerscheibe jede Betriebsposition exakt anzusteuern, ohne dass für jede Betriebsposition ein separater Sensor benötigt wird.

Beispiel:

Eine Wasserenthärtungsanlage enthärtet in einer ersten Betriebsposition hartes Wasser, während in einer zweiten Betriebsposition eine Regeneration der Anlage stattfindet. Um von der ersten in die zweite Betriebsposition zu wechseln, muss die Steuerscheibe um 60° gedreht werden. Dazwischen liegt die mittels eines Sensors genau bestimmbare Referenzposition, die von der ersten Betriebsposition um einen Winkel ai = 15° und von der zweiten

Betriebsposition um einen Winkel oc2 = 45° versetzt ist. Außerhalb des

Winkelbereichs von 60° werden unerwünschte Verbindungen hergestellt. Dieser Bereich darf folglich nicht angefahren werden, so dass der Motor mit einer Umkehr der Drehrichtung betrieben werden muss, damit die Steuerscheibe periodisch wiederholt in sämtliche Betriebspositionen gedreht werden kann.

Weiterhin wird eine Winkelgeschwindigkeit w des Motors von 1 °/s

angenommen. Überschreitet die Steuerscheibe die Referenzposition, so erreicht diese die erste Betriebsposition nach 15 Sekunden (Laufzeit T des Motors = 15 Sekunden), die zweite Betriebsposition wird ausgehend von der Referenzposition nach 45 Sekunden erreicht (Laufzeit T = 45 Sekunden). Für die Drehung der Steuerscheibe von der ersten Betriebsposition bis zur

Referenzposition werden beispielsweise 20 Sekunden benötigt, bis der Sensor das Erreichen der Referenzposition signalisiert, da der Motor beim Start in der ersten Betriebsposition seine Drehrichtung geändert hat und damit ein Spiel auftritt.

Das Spiel bewirkt eine um 5 Sekunden längere Laufzeit T des Motors. Das heißt, die tatsächliche Position der Steuerscheibe weicht um 5° von der Position ab, die sich ohne Berücksichtigung eines Spiels aus der Winkelgeschwindigkeit w und der Laufzeit T des Motors ableiten lässt. Für die Drehung der

Steuerscheibe von der zweiten Betriebsposition bis zur Referenzposition gilt Analoges.

Die Referenzposition wird bestimmt während die Steuerscheibe sich über diese Position hinwegdreht. Man erhält ein Signalmaximum, das unabhängig von der absoluten Signalstärke exakt ermittelt werden kann (1. Ableitung gleich Null). Der Sensor ist typischerweise ortsfest im oder am Gehäuse des Ventilsystems angebracht, während ein Signalgeber auf der drehbaren Steuerscheibe angeordnet ist und am Sensor vorbeidreht.

Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass die

Steuerscheibe periodisch wiederholt in mindestens drei Betriebspositionen mit unterschiedlichen Ventilfunktionen gedreht wird, wobei die Steuerscheibe nach einer Umkehr der Drehrichtung die Referenzposition vor der nächstfolgenden Betriebsposition erreicht. So kann in einer ersten Betriebsposition das zu behandelnde Wasser behandelt werden, in einer zweiten Betriebsposition werden die Mittel zur Wasserbehandlung mit Regeneriermittellösung

beaufschlagt und in einer dritten Betriebsposition wird die Wasserbehandlungs anlage einem Spülprozess unterzogen.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Wasserbehandlungsanlage mit Motor, vorzugsweise Elektromotor, bei der ein Spiel des Motors nach Umkehr der Bewegungsrichtung ermittelt wird mit folgenden Schritten

a) Experimentelle Bestimmung der Laufzeit T _ex des Motors nach Umkehr der Bewegungsrichtung bis das Steuerelement die Referenzposition erreicht, b) Berechnung der theoretischen Laufzeit T _theo des Motors aus der

Bewegungsgeschwindigkeit v und der Strecke zwischen Umkehrposition und Referenzposition, c) Ermittlung des Spiels aus der Differenz T _ex - Tt _heo und der

Bewegungsgeschwindigkeit v,

wobei das ermittelte Spiel für mindestens eine nachfolgende

Positionsbestimmung nach einer weiteren Umkehr der Bewegungsrichtung herangezogen wird.

Das Spiel eines Motors ändert sich nicht so schnell, dass es nach jeder Umkehr der Bewegungsrichtung neu ermittelt werden muss.

Falls eine zusätzliche Betriebsposition (z.B. ein Spülschritt wie das Erstfiltrat bei einer Wasserenthärtungsanlage) konstruktionstechnisch, etwa aus

Platzgründen, vorteilhaft derart angeordnet ist, dass das Steuerelement diese Position nach Umkehr der Bewegungsrichtung vor der Referenzposition erreicht, so kann das bei einer vorherigen Umkehr der Bewegungsrichtung ermittelte Spiel herangezogen werden, um diese zusätzliche Betriebsposition exakt anzusteuern.

Diese Verfahrensvariante kann vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, dass eine Alarmmeldung erfolgt, wenn das ermittelte Spiel des Motors bzw. dessen Änderung einen vorgegebenen Grenzwert GW überschreitet. Damit kann das Bedienungspersonal der Wasserbehandlungsanlage in einfacher Weise auf den aufgetretenen Fehler aufmerksam gemacht werden.

Zeigt der Motor zu große Verschleißerscheinungen, so ist nämlich ein

ordentlicher Betrieb der Wasserbehandlungsanlage mit exakter Ansteuerung der einzelnen Betriebspositionen nicht mehr gewährleistet.

Bei Verwendung einer Steuerscheibe als Steuerelement kann beispielsweise ein Spiel des Motors bis zu 10° akzeptabel sein. Ebenso kann aus mehreren ermittelten Spielen ein Mittelwert gebildet werden und bei einer Abweichung von mehr als 30%, insbesondere mehr als 50% vom Mittelwert davon ausgegangen werden, dass der Verschleiß des Motors fortgeschritten ist.

Durch den Alarm kann ein Benutzer der Wasserbehandlungsanlage auf einen Defekt hingewiesen werden. Als Alarm kann ein optisches und/oder akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder Funksignal (beispielsweise an ein Mobiltelefon oder an die Leitwarte eines Gebäudes) eingesetzt werden.

Zusätzlich zur Alarmmeldung kann die Wasserbehandlung abgebrochen werden und der Wasserfluss gesperrt oder über einen Bypass geleitet werden, so dass zumindest unbehandeltes Wasser für die nachfolgende Installation zur Verfügung steht.

Günstig für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere im Hinblick auf eine Automatisierung, ist es auch, wenn die vom Sensor erfassten Signale einer elektronischen Auswertung unterzogen und die ausgewerteten Signale zur Bestimmung der aktuellen Position des

Steuerelements herangezogen werden.

Die Signale weisen ein gewisses Rauschen auf, was die exakte Bestimmung der Referenzposition des Steuerelements und damit der Betriebspositionen erschwert.

Als Auswertung kommen Methoden zur Glättung der Mess-Signale in Frage wie z.B. die Bildung eines gleitenden Mittelwertes. Die Auswertung beansprucht eine gewisse Zeit, während der der Motor in der Regel weiterläuft. Dadurch, dass die Betriebsposition, also die Stopp-Position des Steuerelements, zeitlich nach der Referenzposition erreicht wird, steht für die Auswertung der Signale genügend Zeit zur Verfügung. Durch Verwendung der ausgewerteten Signale kann die Betriebsposition genauer bestimmt werden. Weiterhin kann zur Bestimmung der Referenzposition nicht der eigentliche Messwert, sondern dessen zeitliche Änderung beim Überfahren dieser Position verwendet werden. Ist die 1. Ableitung gleich Null und die 2. Ableitung kleiner Null, so handelt es sich um das Maximum der Signalstärke. Die Referenz- position kann so exakt bestimmt werden unabhängig von der Amplitude des eigentlichen Messwertes.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer

Steuerscheibe für eine erfindungsgemäße Wasserenthärtungs anlage;

Fig. 2 eine räumliche Draufsicht von schräg oben auf ein Gehäuse mit eingebautem Ventilsystem für eine erfindungsgemäße Wasser enthärtungsanlage, insbesondere mit einer -unter einer hier nicht dargestellten Steuerscheibe angeordneten- starr mit dem

Gehäuse verbundenen Gegenscheibe; Fig. 3a-c eine Darstellung der jeweiligen Abfolge bei Drehung einer

Steuerscheibe dreier verschiedener Anordnungen von jeweils drei Betriebspositionen; Fig. 4 eine schematische Darstellung der Signalstärke S eines Sensors zur Bestimmung der aktuellen Position des Steuerelements in Abhängigkeit vom Drehwinkel a der Steuerscheibe; und

Fig. 5 ein Schema des Signalbereichs des Sensors bei Drehung der

Steuerscheibe mit einer Referenzposition in der Nähe eines Umkehrpunktes.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Gebiet der Wasserbehandlung und betrifft eine neuartige Ausgestaltung einer Wasserbehandlungsanlage, insbesondere eine Wasser-Enthärtungs- oder eine Wasser-Filter-Einrichtung, mit mindestens einem Behälter mit den entsprechenden Mitteln zur Wasser behandlung, die insbesondere eine periodische Regeneration erfordern, einem Ventilsystem zum Steuern von Volumenströmen in der Wasserbehandlungs- anlage mit einem beweglichen Steuerelement 1 , sowie einem in einem

Gehäuse 4 des Ventilsystems stationär angeordneten Gegenelement 5, wobei das Steuerelement 1 an dem Gegenelement 5 dichtend anliegt und

nacheinander, periodisch wiederholt in mindestens zwei Betriebspositionen P1, P2, P3 eines Betriebszyklus mit unterschiedlich ausgestalteten

Ventilfunktionen relativ zum Gegenelement 5 bewegt werden kann, sowie einem Sensor 6 zur Bestimmung der aktuellen Position des Steuerelements 1 relativ zum Gegenelement 5.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Ventilsystemen zum Steuern von Volumenströmen nach dem Stand der Technik dadurch aus, dass eine Vorrichtung zur Umkehrung der Bewegungsrichtung des Steuerelements 1 relativ zum Gegenelement 5 vorhanden ist, mittels welcher die Bewegungsrichtung des Steuerelements 1 pro Betriebszyklus mindestens einmal umgekehrt werden kann, und dass mit dem Sensor 6 eine Referenzposition R des Steuerelements 1 bestimmt werden kann, wobei die Referenzposition R zu den einzelnen

Betriebspositionen P1 , P2, P3 jeweils um einen Abschnitt x>0 versetzt ist.

Das Steuerelement 1 des erfindungsgemäßen Ventilsystems kann mittels eines -in der Zeichnung nicht eigens dargestellten- Motors, vorzugsweise eines Elektromotors, insbesondere eines Schrittmotors, automatisierbar bewegt werden. Die Position des Steuerelements 1 kann dann aus der Referenz position R, der Bewegungsgeschwindigkeit v des Steuerelements 1 sowie aus der Laufzeit T des Motors ermittelt werden.

In den Figuren der Zeichnung auch nicht dargestellt sind zwischen dem

Steuerelement 1 und dem Gegenelement 5 angeordnete Dicht- und/oder Gleitelemente.

Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Ventilsystems -die in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt sind- können ein Steuerelement umfassen, welches als linear hin- und her bewegbarer Steuerkolben

ausgebildet ist.

Die vorliegenden Figuren 1 und 2 stellen eine alternative Ausführungsform zu obigem Fall dar: Hier sind das Steuerelement 1 als eine rotierbare

Steuerscheibe mit mehreren Durchgangsöffnungen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e und das Gegenelement 5 als eine stationär angeordnete Gegenscheibe mit mehreren anderen Durchgangsöffnungen ausgebildet, wobei die

Referenzposition R zu den einzelnen Betriebspositionen P1 , P2, P3 jeweils um einen Drehwinkel a _x > 0°, vorzugsweise a _x > 5°, insbesondere a _x > 10°, versetzt ist. Weiterhin sollte für einen Drehwinkel ai gelten: ai < B/2, mit ai: Drehwinkel bezogen auf eine der Betriebspositionen P1 , P2, P3, die den zulässigen Drehbereich der Steuerscheibe begrenzen und B: Breite des vom Sensor 6 erfassten Signals der Signalstärke S.

Der Sensor 6 kann als relativ zum Gehäuse 4 des Ventilsystems, insbesondere relativ zum Gegenelement 5, ortsfest angeordneter Hall-Sensor, optischer Sensor, induktiver Sensor, Ultraschall-Sensor oder Radar-Sensor ausgebildet sein. Bei Ausführungsformen mit einem Hall-Sensor wird in der Regel ein

Magnet 3 derart auf oder in dem beweglichen Steuerelement 1 positioniert sein, dass der Hall-Sensor ein Signalmaximum erfasst, wenn sich das Steuerelement 1 in der Referenzposition R befindet.

Fiq. 3a zeigt die Abfolge der Drehung einer Steuerscheibe bei einer ersten Anordnung von drei Betriebspositionen bei einer Wasserenthärtungsanlage:

P1 : Wasserbehandlung

P2: Regeneration

P3: Spülung der Behandlungsanlage

R: Referenzposition

In einer ersten Betriebsposition P1 wird das zu behandelnde Wasser

-beispielsweise mittels Durchleiten durch einen lonentauscher zur

Wasserenthärtung - behandelt, in einer zweiten Betriebsposition P2 werden die Mittel zur Wasserbehandlung mit Regeneriermittellösung beaufschlagt und in einer dritten Betriebsposition P3 wird die Wasserbehandlungsanlage einem Spülprozess unterzogen.

Die erste Betriebsposition (Behandlung) und die zweite Betriebsposition

(Regeneration) begrenzen den Winkelbereich, in dem die Steuerscheibe gedreht wird, die dritte Betriebsposition (Spülung) liegt dazwischen. Die

Referenzposition befindet sich hier zwischen der zweiten und der dritten

Betriebsposition. Daraus ergibt sich folgende periodisch wiederholende Abfolge: ... Referenzposition - Regeneration - Umkehr - Referenzposition - Spülung - Behandlung - Umkehr - Referenzposition...

Die Steuerscheibe erreicht nach einer Umkehr der Drehrichtung immer zuerst die Referenzposition R, so dass jede Betriebsposition P1 , P2, P3 exakt bestimmt werden kann.

Fiq. 3b zeigt die Abfolge der Drehung einer Steuerscheibe bei einer zweiten Anordnung von drei Betriebspositionen: Die erste Betriebsposition (Behandlung) und die dritte Betriebsposition (Spülung) begrenzen den Winkelbereich, in dem die Steuerscheibe gedreht wird, die zweite Betriebsposition (Regeneration) liegt dazwischen. Die Referenzposition befindet sich hier zwischen der ersten und der zweiten Betriebsposition. Daraus ergibt sich folgende Reihenfolge: ... Referenzposition - Regeneration - Spülung - Umkehr - Referenzposition - Behandlung - Umkehr - Referenzposition...

Auch hier gilt: Die Steuerscheibe erreicht nach einer Umkehr der Drehrichtung immer zuerst die Referenzposition R, so dass jede Betriebsposition P1 , P2, P3 exakt bestimmt werden kann. Fiq. 3c zeigt die Abfolge der Drehung einer Steuerscheibe bei einer dritten Anordnung von drei Betriebspositionen:

Die zweite Betriebsposition (Regeneration) und die dritte Betriebsposition (Spülung) begrenzen den Winkelbereich, in dem die Steuerscheibe gedreht wird, die erste Betriebsposition (Behandlung) liegt dazwischen. Die

Referenzposition befindet sich hier zwischen der ersten und der dritten

Betriebsposition. Daraus ergibt sich folgende Reihenfolge: ... Referenzposition - Spülung - Umkehr - Referenzposition -Behandlung - Regeneration - Umkehr - Referenzposition... Wiederum gilt: Die Steuerscheibe erreicht nach einer Umkehr der Drehrichtung immer zuerst die Referenzposition R, so dass jede Betriebsposition P1 , P2, P3 exakt bestimmt werden kann.

Fiq. 4 stellt die von einem Sensor 6 erfasste Signalstärke S der Signalbreite B in Abhängigkeit vom Drehwinkel a der Steuerscheibe dar. Positive Entwicklung (Zunahme) des Drehwinkels a bedeutet hierbei eine Drehung der

Steuerscheibe im Uhrzeigersinn, während eine negative Entwicklung

(Abnahme) eine Drehung der Steuerscheibe gegen den Uhrzeigersinn anzeigt. Bereiche 7a, 7b mit unzulässigen Stellungen der Steuerscheibe relativ zur Gegenscheibe ergeben sich für Drehwinkel a vor der Betriebsposition P1 sowie nach der Betriebsposition P3.

Befindet sich die Steuerscheibe in einer unbekannten Stellung, etwa bei Betriebsstart oder nach Unterbrechung der Energieversorgung, so kann die Steuerscheibe in eine bekannte Betriebsposition gedreht werden, ohne dass Bereiche überfahren werden, in denen unzulässige Verbindungen von

Durchgangsöffnungen gebildet werden:

Nach Einschalten der Netzspannung wird:

a) kein Signal registriert

Die Steuerscheibe steht in der Nähe von (oder auf) Betriebsposition P2 oder P3. Die Steuerscheibe wird gegen den Uhrzeigersinn gedreht, bis die

Referenzposition R erreicht ist (maximale Signalstärke).

b) eine Signalstärke > 0 registriert

Die Steuerscheibe befindet sich in der Nähe von (oder auf) der Betriebsposition P1 . Die Steuerscheibe wird um einen kleinen Winkel (z.B. a=2°) im

Uhrzeigersinn gedreht. Dabei können 3 Fälle auftreten:

Fall 1 : Die Signalstärke S nimmt zu. Die Steuerscheibe wird in diesem Fall weitergedreht, bis die maximale Signalstärke erreicht ist. Die Steuerscheibe befindet sich dann in der Referenzposition R. Fall 2: Die Signalstärke S nimmt ab. Die Drehrichtung wird gewechselt. Die Steuerscheibe wird jetzt gegen den Uhrzeigersinn gedreht, bis die

Referenzposition R erreicht ist (Signalmaximum).

Fall 3: Die Signalstärke S bleibt unverändert. Die Steuerscheibe hat sich aufgrund eines Spiels zwischen den einzelnen Antriebskomponenten tatsächlich gar nicht gedreht. Es wird wiederholt um einen kleinen Winkel a gedreht, bis sich die Signalstärke S ändert. Weiteres Vorgehen dann gemäß Fall 1 bzw. Fall 2. Fiq. 5 schließlich illustriert den Signalbereich bei Drehung einer Steuerscheibe mit einer Referenzposition R in der Nähe eines Umkehrpunktes. Die Mitte M des zulässigen Positionsbereiches befindet sich zwischen den

Betriebspositionen P1 und P2, genauer zwischen der Referenzposition R und Betriebsposition P2.

Durch Vor- und Zurück-Drehung der Steuerscheibe um 105° werden zwei Betriebspositionen P1 und P2 periodisch wiederholt angefahren. Für den Wechsel von Betriebsposition P1 (z.B. Enthärtungsbetrieb) in Betriebsposition P2 (z.B. Regenerationsbetrieb) wird die Steuerscheibe im Uhrzeigersinn gedreht und umgekehrt.

Die Referenzposition R befindet sich zwischen den beiden Betriebspositionen P1 und P2 mit ai = 15°. Für ot2 zwischen R und P2 ergibt sich dann 90°.

Der tatsächlich vermessene Signalbereich 8 des von einem Sensor um den Referenzpunkt R erfassten Signals mit einer Breite B = 40° reicht bis in den unzulässigen Bereich 10a in der Nähe der Betriebsposition P1. Die

Steuerscheibe befindet sich in einer unbekannten Stellung innerhalb des zulässigen Positionsbereichs. Nach Einschalten der Netzspannung sind folgende Ereignisse möglich: a) Es wird kein Signal registriert

Die Steuerscheibe befindet sich in einem Bereich 9 ohne Signal. Die

Steuerscheibe wird gegen den Uhrzeigersinn gedreht, bis die Referenzposition R erreicht ist (maximale Signalstärke).

b) Es wird eine Signalstärke > 0 registriert

Die Steuerscheibe befindet sich im Signalbereich 8, jedoch nicht im

unzulässigen Bereich 10a mit Signal. Die Steuerscheibe wird um einen kleinen Winkel (z.B. a=2°) im Uhrzeigersinn gedreht. Dabei können 3 Fälle auftreten:

Fall 1 : Die Signalstärke nimmt zu. Die Steuerscheibe wird in diesem Fall weitergedreht, bis die Referenzposition R mit maximaler Signalstärke erreicht ist.

Fall 2: Die Signalstärke nimmt ab. Die Drehrichtung wird gewechselt. Die Steuerscheibe wird jetzt gegen den Uhrzeigersinn gedreht, bis die

Referenzposition R erreicht ist (Signalmaximum).

Fall 3: Die Signalstärke bleibt unverändert. Die Steuerscheibe hat sich aufgrund eines Spiels zwischen den einzelnen Antriebskomponenten tatsächlich gar nicht gedreht. Es wird wiederholt um einen kleinen Winkel a gedreht, bis sich die Signalstärke ändert. Weiteres Vorgehen dann gemäß Fall 1 bzw. Fall 2.

Befindet sich dagegen die Referenzposition R in die Nähe der Mitte M des zulässigen Positionsbereiches (in Fig. 5 nicht dargestellt), so wird weder in Betriebsposition P1 noch in Betriebsposition P2 ein Signal registriert. Wird bei dieser Anordnung nach Einschalten der Netzspannung kein Signal registriert, so kann nicht festgestellt werden, in welche Richtung die Steuerscheibe gedreht werden muss, um die Referenzposition R zu erreichen, ohne den gesamten unzulässigen Bereich 10 zu überfahren. Bezuqszeichenliste

1 bewegliches Steuerelement für eine Wasserenthärtungsanlage

2a, b, c, d, e Durchgangsöffnungen einer rotierbaren Steuerscheibe

3 Magnet auf dem beweglichen Steuerelement

4 Gehäuse eines Ventilsystems

5 stationär angeordnetes Gegenelement zum beweglichen

Steuerelement

6 Sensor, insbesondere Hall-Sonde mit Halterung

7a, b Bereiche mit unzulässigen Stellungen der beiden Scheiben

zueinander

8 Signalbereich

9 Bereich ohne Signal

10 gesamter unzulässiger Bereich

10a unzulässiger Bereich mit Signal

R Referenzposition

M Mitte des zulässigen Positionsbereiches

P1 , P2, P3 Betriebspositionen, insbesondere:

P1 : Wasserbehandlung

P2: Regeneration des lonentauscherharzes

P3: Spülung

v Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Steuerelements

OCx Drehwinkel der Steuerscheibe in die Betriebsposition x

CO Winkelgeschwindigkeit der Steuerscheibe bei Rotation gegen die stationäre Gegenscheibe

B Breite des vom Sensor erfassten Signals

S Signalstärke

T Laufzeit eines Motors T _exp experimentell bestimmte Laufzeit des Motors nach Umkehr der

Bewegungsrichtung bis das Steuerelement die Referenzposition erreicht

T _theo theoretisch berechnete Laufzeit des Motors aus der

Bewegungsgeschwindigkeit v und der Strecke zwischen

Umkehrposition und Referenzposition

GW vorgegebener Grenzwert des Motorspiels für eine Alarmmeldung

Referenzliste: Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften:

[1 ] DE 42 27 135 C2

[2] WO 2017/117026 A1

[3] EP 2 385 020 B1

[4] EP 3 083 503 B1

[5] EP 1 110 589 B1 « DE 199 61 406 C1

[6] DE 10 2016 208 649 A1