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Die Erfindung betrifft ein fluidisches System zum Einsatz in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre, umfassend: einen fluidischen Aktor mit einer Druckkammer und einem Aktorglied, das durch Druckfluid-Beaufschlagung der Druckkammer in Bewegung versetzt werden kann, eine Ventilanordnung, die ausgebildet ist, die Druckkammer mit einer Druckfluidquelle zu verbinden, um der Druckkammer das Druckfluid zuzuführen, und/oder die Druckkammer mit einer Druckfluidsenke fluidisch zu verbinden, um Druckfluid aus der Druckkammer abzulassen, eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, die Ventilanordnung anzusteuern, und ein mit Druckfluid beaufschlagbares System-Volumen, das das Druckkammer-Innenvolumen der Druckkammer und/oder ein Ventilanordnungs-Innenvolumen der Ventilanordnung und/oder ein Verbindungs-Innenvolumen einer fluidischen Verbindung des fluidischen Systems umfasst.
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Beispielsweise dient das fluidische System dazu, in einer Umgebung betrieben zu werden, in der eine explosionsfähige Atmosphäre vorliegt; also beispielsweise in einer Umgebung, in der ein Umgebungsfluid, beispielsweise die Umgebungsluft, brennbare Stoffe, exemplarisch brennbare Gase, Flüssigkeiten, Dämpfe, Aerosole und/oder Stäube enthält. Insbesondere dann, wenn der Druck im System-Volumen nicht größer ist als der Umgebungsdruck, beispielsweise nicht größer als der Atmosphärendruck, kann die explosionsfähige Atmosphäre in das System-Volumen eindringen. Unter bestimmten Umständen kann es dann beim Betrieb des fluidischen Systems zu einer Zündung der explosionsgefährdeten Atmosphäre kommen. Beispielsweise kann eine Komponente des fluidischen Systems, exemplarisch die Ventilanordnung, elektrisch betrieben sein und es kann durch eine elektrische Entladung eine Zündung der explosionsgefährdeten Atmosphäre stattfinden. Exemplarisch umfasst die Ventilanordnung einen Piezoaktuator. In diesem Fall kann die Zündung durch eine über dem Piezoaktuator abfallende Spannung verursacht werden.
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Insbesondere vor einem Einschalten, einer Inbetriebnahme, nach einem Stromausfall und/oder nach einem Druckverlust des fluidischen Systems ist unter Umständen nicht bekannt, wie sich das in dem zu diesem Zeitpunkt im System-Volumen vorhandene Systemfluid zusammensetzt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass das Systemfluid brennbare Stoffe enthält. Bei einer Inbetriebnahme des fluidischen Systems in diesem Zustand kann das Risiko einer Zündung brennbarer Stoffe bestehen.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Betriebssicherheit des fluidischen Systems zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein fluidisches System gemäß Anspruch 1. Die Steuereinheit ist ausgebildet, zusätzlich zu einem normalen Betriebsmodus, in dem die Druckkammer mit dem Druckfluid beaufschlagt wird, um das Aktorglied in Bewegung zu versetzen, einen Spülmodus bereitzustellen und in dem Spülmodus die Ventilanordnung derart anzusteuern, dass dem System-Volumen wiederholt Druckfluid zugeführt und in dem System-Volumen vorhandenes Systemfluid abgelassen wird, so dass ein in dem System-Volumen enthaltenes Systemfluid mit dem Druckfluid verdünnt und zumindest teilweise aus dem System-Volumen entfernt wird.
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Auf diese Weise kann das im System-Volumen zu Beginn des Spülmodus vorhandene Systemfluid nach und nach durch das Druckfluid ersetzt werden. Als Systemfluid soll das Gemisch aller zu Beginn des Spülmodus im System-Volumen vorhandenen Fluide und Stoffe bezeichnet werden. Die Zusammensetzung des Systemfluids ist in der Regel unbekannt - es ist möglich, dass das Systemfluid Stoffe enthält, die durch den normalen Betriebsmodus des fluidischen Systems gezündet werden können. Insbesondere kann vor Durchführung des Spülmodus nicht ausgeschlossen werden, dass zumindest ein gewisser Anteil des Systemfluids von der explosionsgefährdeten Atmosphäre stammt und brennbare Stoffe enthält.
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Bei dem Druckfluid, mit dem das Systemfluid ersetzt wird, handelt es sich um das von der Druckfluidquelle bereitgestellte Druckfluid. Das Druckfluid ist zweckmäßigerweise ein Fluid, das keine durch das fluidische System entzündbaren Stoffe enthält. Indem der Anteil des Systemfluids im System-Volumen reduziert und der Anteil des Druckfluids im System-Volumen erhöht wird, kann das Risiko reduziert werden, dass im normalen Betriebsmodus explosives Systemfluid zu einer elektrisch betriebenen Komponente des fluidischen Systems, beispielsweise der Ventilanordnung, gelangt, und dort gezündet wird. Folglich kann die Betriebssicherheit erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet, den Spülmodus automatisch zu starten. Insbesondere ist die Steuereinheit ausgebildet, automatisch von dem normalen Betriebsmodus in den Spülmodus umzuschalten. Ferner ist die Steuereinheit vorzugsweise ausgebildet, im Spülmodus die Ventilanordnung derart anzusteuern, dass das Aktorglied seine aktuelle Stellung beibehält, so dass im Spülmodus zweckmäßigerweise keine Bewegung des Aktorglieds erfolgt. Ferner wird im Spülmodus die Ventilanordnung zweckmäßigerweise mit einer geringeren Spannung betrieben als im normalen Betriebsmodus. Zweckmäßigerweise wird im Spülmodus die Druckluft-Zufuhr und der Systemfluid-Ablass so oft wiederholt, bis mindestens 95%, insbesondere mindestens 99% des Systemfluids durch das Druckfluid ersetzt wurden. Zweckmäßigerweise umfasst die Ventilanordnung einen oder mehrere Piezoaktuatoren.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines fluidischen Systems zum Einsatz in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre, wobei das fluidische System umfasst: einen fluidischen Aktor mit einer Druckkammer und einem Aktorglied, das durch Druckfluid-Beaufschlagung der Druckkammer in Bewegung versetzt werden kann, eine Ventilanordnung, die ausgebildet ist, die Druckkammer mit einer Druckfluidquelle zu verbinden, um der Druckkammer das Druckfluid zuzuführen, und/oder die Druckkammer mit einer Druckfluidsenke fluidisch zu verbinden, um das Druckfluid aus der Druckkammer abzulassen, eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, die Ventilanordnung anzusteuern, und ein mit Druckfluid beaufschlagbares System-Volumen, das ein Druckkammer-Innenvolumen der Druckkammer, ein Ventilanordnungs-Innenvolumen der Ventilanordnung und/oder ein Verbindungs-Innenvolumen einer fluidischen Verbindung umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Versetzen der Steuereinheit in einen Spülmodus, wobei der Spülmodus zusätzlich zu einem normalen Betriebsmodus vorhanden ist, in dem die Druckkammer mit dem Druckfluid beaufschlagt wird, um das Aktorglied in Bewegung zu versetzen, in dem Spülmodus: Ansteuern der Ventilanordnung derart, dass dem System-Volumen wiederholt Druckfluid zugeführt wird und in dem System-Volumen vorhandenes Systemfluid abgelassen wird, so dass das Systemfluid mit dem Druckfluid verdünnt und zumindest teilweise aus dem System-Volumen entfernt wird.
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Vorzugsweise wird das Verfahren mit dem hier beschriebenen fluidischen System durchgeführt. Zweckmäßigerweise ist das Verfahren in Entsprechung zu einer hier beschriebenen Weiterbildung des fluidischen Systems ausgestaltet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinrichtung, insbesondere einen Stellungsreglerkopf und/oder einen Steuerkopf, zur fluidischen Ansteuerung eines fluidischen Aktors und zum Einsatz in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre, umfassend: eine Ventilanordnung, die ausgebildet ist, den fluidischen Aktor mit einer Druckfluidquelle fluidisch zu verbinden, um dem fluidischen Aktor das Druckfluid zuzuführen, und/oder die den fluidischen Aktor mit einer Druckfluidsenke fluidisch zu verbinden, um das Druckfluid aus der fluidischen Aktor abzulassen, eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, die Ventilanordnung anzusteuern, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, zusätzlich zu einem normalen Betriebsmodus, in dem die Druckkammer mit dem Druckfluid beaufschlagt wird, um ein Aktorglied des fluidischen Aktors in Bewegung zu versetzen, einen Spülmodus bereitzustellen und in dem Spülmodus die Ventilanordnung derart anzusteuern, dass einem mit der Ventilanordnung fluidisch verbundenen System-Volumen wiederholt Druckfluid zugeführt wird und in dem System-Volumen vorhandenes Systemfluid abgelassen wird, so dass das Systemfluid mit dem Druckfluid verdünnt und zumindest teilweise aus dem System-Volumen entfernt wird.
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Nachstehend werden exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines fluidischen Systems,
- 2 ein Schaubild eines zeitlichen Druckverlaufs während einer Spülprozedur,
- 3 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung,
- 4 ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines fluidischen Systems,
- 5 ein Piezoaktuator mit einer ersten Beschaltung, und
- 6 einen Piezoaktuator mit einer zweiten Beschaltung.
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Die 1 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung eines fluidischen Systems 10. Das fluidisches System 10 dient insbesondere zum Einsatz in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre.
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Das fluidische System 10 umfasst einen fluidischen Aktor 3 mit einer Druckkammer 14 und einem Aktorglied 15, das durch Druckfluid-Beaufschlagung der Druckkammer 14 mit einem Druckfluid in Bewegung versetzt werden kann.
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Das fluidische System 10 umfasst ferner eine Ventilanordnung 1, die ausgebildet ist, die Druckkammer 14 mit einer Druckfluidquelle 6 zu verbinden, um der Druckkammer 14 das Druckfluid zuzuführen, und/oder die Druckkammer 14 mit einer Druckfluidsenke 7 fluidisch zu verbinden, um das Druckfluid aus der Druckkammer 14 abzulassen.
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Das fluidische System 10 umfasst ferner eine fluidische Verbindung 5, über die die Ventilanordnung 1 mit der Druckkammer 14 fluidisch verbunden ist.
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Das fluidische System 10 umfasst ein mit dem Druckfluid beaufschlagbares System-Volumen, das ein Druckkammer-Innenvolumen 44 der Druckkammer 14 und/oder ein Verbindungs-Innenvolumen 46 der fluidischen Verbindung 5 und/oder ein Ventilanordnungs-Innenvolumen 45 der Ventilanordnung 1 umfasst.
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Das fluidische System 10 umfasst ferner eine Steuereinheit 2, die ausgebildet ist, die Ventilanordnung 1 anzusteuern. Die Steuereinheit 2 ist ausgebildet, einen normalen Betriebsmodus bereitzustellen und in dem normalen Betriebsmodus die Ventilanordnung 1 derart anzusteuern, dass die Druckkammer 14 mit dem Druckfluid beaufschlagt wird, so dass das Aktorglied 15 in Bewegung versetzt wird. Die Steuereinheit 2 ist ausgebildet, zusätzlich zu dem normalen Betriebsmodus einen Spülmodus bereitzustellen und in dem Spülmodus die Ventilanordnung 1 derart anzusteuern, dass das System-Volumen wiederholt mit Druckfluid belüftet und entlüftet wird, so dass ein in dem System-Volumen enthaltenes Systemfluid mit dem Druckfluid verdünnt und zumindest teilweise aus dem System-Volumen entfernt wird.
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Nachstehend sollen weitere exemplarische Details erläutert werden.
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Das System-Volumen umfasst all diejenigen Volumina, die insbesondere auch im normalen Betriebsmodus mit dem Druckfluid beaufschlagt werden und die fluidisch miteinander verbunden sind. Vorzugsweise umfasst das Systemvolumen das Druckkammer-Innenvolumen 44, das Verbindung-Innenvolumen 46 und/oder das Ventilanordnung-Innenvolumen 45.
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Das fluidische System 10 umfasst exemplarisch die Druckfluidquelle 6 und/oder die Druckfluidsenke 7. Bei der Druckfluidquelle 6 handel es sich insbesondere um eine Druckluftquelle. Bei der Druckfluidsenke 7 handelt es sich zweckmäßigerweise um eine fluidische Verbindung zu der Atmosphäre. Vorzugsweise ist an der Druckfluidsenke 7 ein (in den Figuren nicht gezeigtes) Rückschlagventil vorhanden.
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Die Ventilanordnung 1 umfasst exemplarisch eine erste Ventileinheit 11 und eine zweite Ventileinheit 12. Die erste Ventileinheit 11 befindet sich in einem ersten fluidischen Pfad von der Druckfluidquelle 6 zur Druckkammer 14. Durch Öffnen der ersten Ventileinheit 11 wird eine fluidische Verbindung zwischen der Druckkammer 14 und der Druckfluidquelle 6 hergestellt und durch Schließen der ersten Ventileinheit 11 wird diese Verbindung unterbrochen. Die zweite Ventileinheit 12 befindet sich in einem zweiten fluidischen Pfad von der Druckfluidsenke 7 zur Druckkammer 14. Durch Öffnen der zweiten Ventileinheit 12 wird eine fluidische Verbindung zwischen der Druckkammer 14 und der Druckfluidsenke 7 hergestellt und durch Schließen der zweiten Ventileinheit 12 wird diese Verbindung unterbrochen.
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Die Ventilanordnung 1, insbesondere die beiden Ventileinheiten 11, 12, sind über die fluidische Verbindung 5 mit der Druckkammer 14 fluidisch verbunden. Bei der fluidischen Verbindung 5 handelt es sich beispielsweise um eine Leitungsanordnung. Die fluidische Verbindung 5 umfasst einen oder mehrere Schläuche und/oder einen oder mehrere fluidische Kanäle. Zweckmäßigerweise umfasst die fluidische Verbindung 5 einen in dem fluidischen Aktor 3 und/oder in der Ventilanordnung 1 integrierten fluidischen Verbindungsabschnitt.
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Die fluidische Verbindung 5 umfasst exemplarisch zwei Ventilanordnungs-Zweige 41, 42, die mit den Ventileinheiten 11, 12 fluidisch verbunden sind, und einen Aktor-Zweig 43, der mit dem fluidischen Aktor 3 fluidisch verbunden ist. Die beiden Ventilanordnungs-Zweige 41, 42 und der Aktor-Zweig 43 laufen an einem Verbindungspunkt zusammen und bilden zusammen eine Y-Struktur. Der vorgenannte erste fluidische Pfad verläuft über den ersten Ventilanordnungs-Zweig 41 und den Aktor-Zweig 43. Der vorgenannte zweite fluidische Pfad verläuft über den zweiten Ventilanordnungs-Zweig 42 und den Aktor-Zweig 43. Folglich verlaufen beide fluidischen Pfade zu der Druckkammer 14 über denselben Verbindungsabschnitt der fluidischen Verbindung 5 - nämlich über den Aktor-Zweig 43.
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Bei dem fluidischen Aktor 3 handelt es sich insbesondere um einen pneumatischen Aktor. Der fluidische Aktor 3 ist zweckmäßigerweise als fluidischer Antrieb, insbesondere als pneumatischer Antrieb ausgebildet. Der fluidische Aktor 3 ist insbesondere ein Ventilantrieb. Exemplarisch ist der fluidische Aktor 3 als Antriebszylinder, insbesondere als pneumatischer Antriebszylinder ausgebildet. Der fluidische Aktor 3 umfasst zweckmäßigerweise einen zylindrischen Aktorkörper.
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Durch Beaufschlagung der Druckkammer 14 mit dem Druckfluid kann die Stellung des Aktorglieds 15 verändert werden. Insbesondere verändert sich die Stellung des Aktorglieds 15 dann, wenn der in der Druckkammer 14 herrschende Druck einen Losbrechdruck übersteigt. Vorzugsweise ist der fluidische Aktor 3 dazu ausgebildet, durch Stellungsänderung seines Aktorglieds 15 ein Ventilglied eines (in den Figuren nicht gezeigten) Ventils, insbesondere eines Prozessventils, zu betätigen.
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Das Aktorglied 15 umfasst zweckmäßigerweise einen Kolben 16 und optional eine Kolbenstange 17.
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Der fluidische Aktor 3 ist zweckmäßigerweise als einfachwirkender Aktor ausgebildet. Exemplarisch umfasst der fluidische Aktor 3 ein Federelement 18. Das Federelement 18 stellt eine Rückstellkraft bereit, die das Aktorglied 15 in eine erste Stellung drängt. Durch Beaufschlagung der Druckkammer 14 mit dem Druckfluid kann eine fluidische Betätigungskraft bereitgestellt werden, die entgegen der Rückstellkraft wirkt und das Aktorglied 15 in eine zweite Stellung drängt.
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Gemäß einer alternativen, in den Figuren nicht gezeigten Ausgestaltung kann der fluidische Aktor auch als zweifachwirkender Aktor ausgebildet sein. Das Federelement 18 kann in diesem Fall nicht vorhanden sein. Zweckmäßigerweise weist der fluidische Aktor eine zweite Druckkammer auf. Durch Beaufschlagung der zweiten Druckkammer mit dem Druckfluid kann eine fluidische Betätigungskraft bereitgestellt werden, die das Aktorglied in die erste Stellung drängt.
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Das fluidische System 10 umfasst exemplarisch ferner eine Sensoranordnung 4. Die Sensoranordnung 4 umfasst exemplarisch eine Drucksensoreinheit 8 und/oder eine Positionssensoreinheit 9. Die Drucksensoreinheit 8 ist ausgebildet, einen mit dem System-Volumen im Zusammenhang stehenden Druckwert Pw zu erfassen. Beispielsweise ist die Drucksensoreinheit 8 ausgebildet, einen Differenzdruck zwischen dem im System-Volumen, insbesondere in der fluidischen Verbindung 5 und/oder der Druckkammer 14, herrschenden Druck und einem Umgebungsdruck, insbesondere dem Atmosphärendruck, zu erfassen. Die Drucksensoreinheit 8 stellt den erfassten Druckwert Pw der Steuereinheit 2 bereit. Die Positionssensoreinheit 9 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, die Stellung des Aktorglieds 15 zu erfassen und der Steuereinheit 2 ein entsprechendes Stellungssignal bereitzustellen.
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Die Steuereinheit 2 ist ausgebildet einen Steuerbefehl bereitzustellen und gemäß dem Steuerbefehl die Ventilanordnung 1 anzusteuern, um das Aktorglied 15 in eine insbesondere durch den Steuerbefehl vorgegebene Stellung zu versetzen. Der Steuerbefehl wird beispielsweise von einer (in den Figuren nicht gezeigte) übergeordneten Steuerung, beispielweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, SPS, an die Steuereinheit 2 übertragen. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, unter Verwendung der Sensoranordnung 4 eine Stellungsregelung des Aktorglieds 15 durchzuführen und/oder eine Druckregelung des Druckwerts Pw durchzuführen.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im normalen Betriebsmodus den Druck im System-Volumen stets über dem Umgebungsdruck zu halten, insbesondere mittels einer Druckregelung, die beispielsweise durch Ansteuerung der Ventilanordnung 1 und Berücksichtigung des von der Drucksensoreinheit 8 erfassten Druckwerts Pw durchgeführt wird.
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Die Steuereinheit 2 verfügt zusätzlich zu dem normalen Betriebsmodus über den Spülmodus. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, entweder den normalen Betriebsmodus oder den Spülmodus einzunehmen. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im normalen Betriebsmodus die vorstehend erwähnte Ansteuerung der Ventilanordnung 1 gemäß einem Steuerbefehl durchzuführen, um das Aktorglied 15 in eine vorgegebene Stellung zu versetzen. Ferner ist die Steuereinheit 2 vorzugsweise ausgebildet, im Spülmodus die vorstehend erwähnte Ansteuerung der Ventilanordnung 1, bei der das Aktorglied 15 gemäß dem Steuerbefehl in eine vorgegebene Stellung versetzt wird, nicht durchzuführen. Beispielsweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im Spülmodus Steuerbefehle, die eine Stellung und/oder Stellungsänderung des Aktorglieds vorgeben, zu ignorieren.
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Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, eine Modusinformation bereitzustellen, die anzeigt, in welchem Modus - also dem normalen Betriebsmodus oder dem Spülmodus - sich die Steuereinheit 2 momentan befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, automatisch den Spülmodus einzunehmen, insbesondere automatisch von dem normalen Betriebsmodus in den Spülmodus umzuschalten. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, auf Basis eines detektierten Ereignisses den Spülmodus einzunehmen. Das detektierte Ereignis ist beispielsweise ein Einschalten, insbesondere der Steuereinheit 2. Das detektierte Ereignis kann ferner ein Stromverlust und/oder eine Inbetriebnahme, insbesondere des fluidischen Systems 10 sein. Ferner kann das detektierte Ereignis ein Druckverlust im System-Volumen sein, insbesondere die Detektion eines Druckwerts Pw, der anzeigt, dass der Druck im System-Volumen nicht größer und/oder kleiner ist als der Umgebungsdruck, insbesondere der Atmosphärendruck.
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Gemäß einer nicht gezeigten Ausgestaltung umfasst das fluidische System eine Prozessventil-Baueinheit. Die Prozessventil-Baueinheit umfasst insbesondere eine als Steuerkopf und/oder Stellungsreglerkopf ausgebildete Steuereinrichtung 20, die schematisch in 3 gezeigt ist. Die Prozessventil-Baueinheit umfasst ferner den fluidischen Aktor 3, der bei dieser Ausgestaltung als Ventilantrieb ausgebildet ist. Ferner umfasst die Prozessventil-Baueinheit ein Prozessventil. Die Steuereinrichtung 20 umfasst die Steuereinheit 2, die Ventilanordnung 1 und optional einen Verbindungsabschnitt der fluidischen Verbindung 5. Die Steuereinrichtung 20 umfasst zweckmäßigerweise eine mechanische Schnittstelle, mit der die Steuereinrichtung 20 an einem Gehäuse des fluidischen Aktor 3 befestigt werden kann. Exemplarisch verfügt die Steuereinrichtung 20 über ein Gehäuse 19, in dem insbesondere die Steuereinheit 2 und/oder die Ventilanordnung 1 angeordnet sind. Die mechanische Schnittstelle ist insbesondere außen am Gehäuse 19 angeordnet. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung 20 an dem fluidischen Aktor 3 befestigt und der fluidische Aktor 3 ist an dem Prozessventil befestigt. Das Aktorglied 15 ist mit einem Ventilglied des Prozessventils mechanisch gekoppelt und dient zur Betätigung des Ventilglieds.
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Nachstehend soll näher auf den Spülmodus eingegangen werden.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, wird im Spülmodus durch Ansteuerung der Ventilanordnung 1 das System-Volumen wiederholt mit Druckfluid belüftet und entlüftet, so dass das in dem System-Volumen vor Durchführung des Spülmodus vorhandene Systemfluid mit dem Druckfluid verdünnt und zumindest teilweise aus dem System-Volumen entfernt wird. Insbesondere ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im Spülmodus eine Spülprozedur abzuarbeiten, die die erläuterte Ansteuerung der Ventilanordnung 1 vorgibt.
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Die 2 zeigt ein Schaubild eines zeitlichen Verlaufs des Druckwerts Pw im Spülmodus. Der Druckwert Pw alterniert zwischen einem unteren Grenzwert Pmin und einem oberen Grenzwert Pmax. Wenn der obere Grenzwert Pmax erreicht wird, wird der Druckwert Pw bis zum unteren Grenzwert Pmin reduziert. Wird der untere Grenzwert Pmin erreicht, wird der Druckwert Pw bis zum oberen Grenzwert Pmax erhöht. Der zeitliche Verlauf des Druckwerts Pw hat exemplarisch die Signalform einer Dreiecksschwingung.
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Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im Spülmodus die Ventilanordnung 1 derart anzusteuern, dass der Druckwert Pw mehrmals hintereinander abwechselnd den oberen Grenzwert Pmax und den unteren Grenzwert Pmin erreicht. Insbesondere ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im Spülmodus die Ventilanordnung 1 derart anzusteuern, dass der in der 2 gezeigte zeitliche Verlauf des Druckwerts Pw erzielt wird.
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Die Steuereinheit 2 ist vorzugsweise ausgebildet, im Spülmodus die Ventilanordnung 1 derart anzusteuern, dass die Ventilanordnung 1 hintereinander eine Mehrzahl an Spülzyklen durchführt, wobei in jedem Spülzyklus das System-Volumen in einer ersten Spülphase mit der Druckfluidquelle 6 fluidisch verbunden wird und anschließend in einer zweiten Spülphase mit der Druckfluidsenke 7 fluidisch verbunden wird. Durch das fluidische Verbinden des System-Volumens mit der Druckfluidquelle 6 wird der Druckwert Pw in der ersten Spülphase von Pmin auf Pmax erhöht. Durch das fluidische Verbinden des System-Volumens mit der Druckfluidsenke 7 wird der Druckwert Pw in der zweiten Spülphase von Pmax auf Pmin reduziert. In der ersten Spülphase besteht zweckmäßigerweise keine fluidische Verbindung zwischen dem System-Volumen und der Druckfluidsenke 7. In der zweiten Spülphase besteht zweckmäßigerweise keine fluidische Verbindung zwischen dem System-Volumen und der Druckfluidquelle 6.
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In der ersten Spülphase wird dem System-Volumen das Druckfluid zugeführt, ohne dass das bereits in dem System-Volumen enthaltene Systemfluid abgelassen wird. Das Systemfluid mischt sich mit dem Druckfluid. Der Druck Pw nimmt zu.
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In der zweiten Spülphase wird die fluidische Verbindung zu der Druckluftsenke 7 hergestellt. Das in dem System-Volumen vorhandene Fluid - also die Mischung aus Druckfluid und Systemfluid - wird zumindest teilweise aus dem System-Volumen abgelassen. Der Druck Pw sinkt.
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Durch mehrmalige Wiederholung des die erste und zweite Spülphase umfassenden Spülzyklus wird in dem System-Volumen das anfangs vorhandene Systemfluid nach und nach durch das Druckfluid ersetzt. Zweckmäßigerweise wird der Spülzyklus 5, 6, 7, 8, 9 mal oder 10 mal oder häufiger als 10 mal durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich dazu ist die Steuereinrichtung 2 ausgebildet, den Spülmodus für eine vorbestimmte Zeitdauer durchzuführen und währenddessen den Spülzyklus ständig zu wiederholen.
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Der untere Grenzwert Pmin ist zweckmäßigerweise so gewählt, dass er größer als der Umgebungsdruck ist, so dass ein Eindringen eines Umgebungsfluids in das System-Volumen verhindert wird. Der obere Grenzwert Pmax ist, wie nachstehend noch erläutert, zweckmäßigerweise so gewählt, dass das Aktorglied 15 nicht in Bewegung versetzt wird.
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Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im normalen Betriebsmodus die Ventilanordnung 1 derart anzusteuern, dass der Druckwert Pw den oberen Grenzwert Pmax übersteigt.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, umfasst die fluidische Verbindung 5 zwischen der Ventilanordnung 1 und der Druckkammer 14 einen Verbindungsabschnitt - den Aktor-Zweig 43 - über den sowohl die Druckluft-Zufuhr als auch der Systemfluid-Ablass erfolgt. Die beiden Ventilanordnungszweige 41, 42 sind direkt miteinander verbunden. Falls beide Ventileinheiten 11, 12 gleichzeitig geöffnet werden würden, könnte das von der Druckfluidquelle 6 zugeführte Druckfluid direkt über die Druckluftsenke 7 abfließen und müsste dabei nicht durch den Aktor-Zweig 43 und/oder in die Druckkammer 14 fließen. Eine Verdünnung und/oder Entfernung des in dem Aktor-Zweig 43 und/oder der Druckkammer 14 vorhandenen Systemfluids würde in diesem Fall nicht oder nur in sehr begrenztem Umfang stattfinden. Dadurch dass die Öffnung der Ventileinheiten 11, 12 nacheinander erfolgt, kann eine verbesserte Vermischung des in dem Aktor-Zweig 43 und/oder der Druckkammer 14 vorhandenen Systemfluids mit dem Druckfluid erzielt werden, so dass das Systemfluid schneller bzw. mit weniger Spülzyklen aus dem System-Volumen entfernt werden kann.
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Das fluidische System 10 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, im Spülmodus die Druckfluid-Zufuhr und/oder den Systemfluid-Ablass so zu begrenzen, dass das Aktorglied 15 in seiner aktuellen Stellung verbleibt. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im Spülmodus die Ventilanordnung 1 stets derart anzusteuern, dass keine Bewegung des Aktorglieds 15 erfolgt. Vorzugsweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im Spülmodus die Druckluft-Zufuhr und/oder den Systemfluid-Ablass unter Berücksichtigung eines von der Sensoranordnung 4 bereitgestellten Sensorsignals durchzuführen, und auf diese Weise zweckmäßigerweise sicherzustellen, dass das Aktorglied 15 in seiner aktuellen Stellung verbleibt.
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Beispielsweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, die Ventilanordnung 1 unter Berücksichtigung des Druckwerts Pw derart anzusteuern, dass der Druckwert Pw den oberen Grenzwert Pmax nicht übersteigt und/oder den unteren Grenzwert Pmin nicht unterschreitet. Beispielweise ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, den Druckwert Pw mit dem oberen Grenzwert Pmax zu vergleichen und die erste Ventileinheit 11 zu schließen und/oder die zweite Ventileinheit 12 zu öffnen, wenn der Druckwert Pw den oberen Grenzwert Pmax erreicht. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 2 ferner ausgebildet, den Druckwert Pw mit dem unteren Grenzwert Pmin zu vergleichen und die zweite Ventileinheit 12 zu schließen und/oder die erste Ventileinheit 11 zu öffnen, wenn der Druckwert Pw den unteren Grenzwert Pmin erreicht. Der obere Grenzwert Pmax ist vorzugsweise so gewählt, dass er kleiner ist als ein Druckwert Pw, bei dem das Aktorglied 15 in Bewegung versetzt wird, also insbesondere kleiner als ein Druckwert Pw, bei dem der für die Bewegung des Aktorglieds 15 benötigte Losbrechdruck erreicht wird.
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Alternativ oder zusätzlich dazu ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, im Spülmodus die Druckfluid-Zufuhr und/oder den Druckfluid-Ablass unter Berücksichtigung der von der Positionssensoreinheit 9 erfassten Position des Aktorglieds 15 so zu begrenzen, dass das Aktorglied 15 in seiner aktuellen Stellung verbleibt. Stellt die Steuereinheit 2 beispielsweise auf Basis der erfassten Position fest, dass das Aktorglied 15 beginnt, sich zu bewegen, so kann durch entsprechende Ansteuerung der Ventileinheiten 11, 12 diese Bewegung gestoppt und/oder rückgängig gemacht werden, so dass das Aktorglied 15 in seiner Stellung verbleibt.
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Das fluidische System 10 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, in dem Spülmodus zumindest ein Element der Ventileinheit 11, 12 - beispielsweise die nachstehend erläuterte Keramikschicht 31 - mit einer gegenüber dem normalen Betriebsmodus reduzierten Spannung zu betreiben. Das fluidische System 10 ist insbesondere ausgebildet, nach dem Spülmodus im normalen Betriebsmodus zumindest dieses Element mit einer nicht-reduzierten Spannung zu betreiben.
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Unter Bezugnahme auf die 5 und 6 soll nachstehend näher auf den Aufbau und den Betrieb der Ventileinheiten 11, 12 eingegangen werden.
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Die Ventileinheiten 11, 12 sind zweckmäßigerweise als Piezo-Ventileinheiten ausgebildet. Jede Ventileinheit 11, 12 umfasst einen jeweiligen Piezoaktuator 30, der zum Öffnen und/oder Schließen der jeweiligen Ventileinheit 11, 12 dient.
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Die Piezoaktuatoren 30 sind zweckmäßigerweise als Piezobieger ausgebildet. Exemplarisch wird ein (in den Figuren nicht gezeigtes) Dichtgummi am Piezobieger durch eine (in den Figuren nicht gezeigte) Metallfeder in einem spannungslosen Zustand auf einen fluidischen Durchgang gedrückt und schließt so die Ventileinheit. Wird Spannung an eine oder mehrere Keramikschichten des Piezobiegers gelegt, verbiegt sich der Piezobieger entgegen der Metallfeder und die Ventileinheit öffnet.
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Der Piezoaktuator 30 umfasst zweckmäßigerweise eine erste Keramikschicht 31, eine zweite Keramikschicht 32 und eine zwischen der ersten Keramikschicht 31 und der zweiten Keramikschicht 32 angeordnete Zwischenschicht 33. Die Zwischenschicht 33 ist beispielsweise ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, kann also auch als CFK-Schicht bezeichnet werden. An jede Keramikschicht 31, 32 kann eine separate Spannung V2, V3 angelegt werden, um eine Betätigung des Piezoaktuators 30 zu bewirken. Die erste Keramikschicht 31 weist eine Polarisation mit einer ersten Polarisationsrichtung PR1 auf. Die erste Polarisationsrichtung PR1 verläuft exemplarisch in Richtung hin zur Zwischenschicht 33. Die zweite Keramikschicht 32 weist eine Polarisation mit einer zweiten Polarisationsrichtung PR2 auf. Die zweite Polarisationsrichtung PR2 unterscheidet sich von der ersten Polarisationsrichtung PR1 und ist insbesondere antiparallel zu dieser. Die zweite Polarisationsrichtung PR2 verläuft exemplarisch in Richtung hin zur Zwischenschicht 33.
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Jeder Piezoaktuator 30 kann zweckmäßigerweise in zwei verschiedenen Modi betrieben werden. In der 5 ist der Betrieb des Piezoaktuators 30 in dem ersten Modus gezeigt und in der 6 ist der Betrieb des Piezoaktuators 30 in dem zweiten Modus gezeigt. Die beiden Modi unterscheiden sich darin, wie die beiden Keramikschichten 31, 32 angesteuert werden. Die gezeigten Beschaltungen des Piezoaktuators 30 in den 5 und 6 sind insbesondere als Ersatzschaltbilder zu verstehen.
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In dem ersten Modus wird an die erste Keramikschicht 31 die Spannung V2 angelegt und an die zweite Keramikschicht 32 wird die Spannung V3 angelegt. Beide Keramikschichten 31, 32 werden dazu genutzt, um den Piezoaktuator zu betätigen. Exemplarisch wird eine Spannung V1 durch einen Spannungsteiler, beispielsweise die beiden Widerstände R1, R2, in die beiden Spannungen V2, V3 unterteilt. Die Spannung V2 hat die gleiche Ausrichtung wie die Polarisationsrichtung PR1 und die Spannung V3 ist entgegengesetzt zur Polarisationsrichtung PR2 ausgerichtet. Die im ersten Modus über der ersten Keramikschicht 31 und der zweiten Keramikschicht 32 abfallende Spannungen V2, V3 sind zweckmäßigerweise jeweils kleiner als die im zweiten Modus über der ersten Keramikschicht abfallende Spannung V2.
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In dem zweiten Modus wird nur an die erste Keramikschicht 31 eine Spannung - die Spannung V2 - angelegt. Die Spannung V2 ist hier exemplarisch gleich der Spannung V1. Die Spannung V2 hat die gleiche Ausrichtung wie die Polarisationsrichtung PR1. An die zweite Keramikschicht 32 wird keine Spannung angelegt. Exemplarisch wird die zweite Keramikschicht 32 kurzgeschlossen.
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Die Steuereinheit 2 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, im Spülmodus die Ventilanordnung 1 im ersten Modus, zweckmäßigerweise ausschließlich im ersten Modus, zu betreiben. Die Steuereinheit 2 ist zweckmäßigerweise ferner ausgebildet, im normalen Betriebsmodus die Ventilanordnung im zweiten Modus zu betreiben.
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Folglich wird in dem Spülmodus die erste Keramikschicht 31 mit einer gegenüber dem normalen Betriebsmodus reduzierten Spannung V2 betrieben. Nach dem Spülmodus wird im normalen Betriebsmodus die erste Keramikschicht 31 mit einer nicht-reduzierten Spannung V2 betrieben. Im Spülmodus werden beide Keramikschichten 31, 32 für die Betätigung des Piezoaktuators 30 genutzt. Im normalen Betriebsmodus wird nur eine Keramikschicht 31 für die Betätigung des Piezoaktuators 30 genutzt.
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Durch die beschriebene Vorgehensweise kann im Spülmodus der Piezoaktuator 30, zweckmäßigerweise der Piezoaktuator 30 jeder Ventileinheit 11, 12, mit geringeren Spannungen V2, V3 betrieben werden. Die Spannungen V2, V3 sind zweckmäßigerweise so gering gewählt, dass auch dann, wenn im Systemfluid enthaltene brennbare Stoffe im Spülmodus durch das Ventilanordnungs-Innenvolumen 45 der Ventilanordnung 1 fließen, keine Zündung dieser Stoffe durch die Ansteuerung des Piezoaktuators 30 möglich ist. Ferner kann im normalen Betriebsmodus der Piezoaktuator 30 mit einer nicht-reduzierten Spannung V2 und zweckmäßigerweise ohne Ansteuerung der zweiten Keramikschicht 32 betrieben werden. Ein solcher Betrieb kann zu einer längeren Lebensdauer des Piezoaktuators 30 führen. Im normalen Betriebsmodus ist das Systemfluid in einem solchen Maße durch das Druckfluid ersetzt, dass in dem System-Volumen keine brennbaren Stoffe oder nur eine so geringe Menge an brennbaren Stoffen vorhanden ist, dass selbst durch die nicht-reduzierte Spannung V2 keine Zündung möglich ist.
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Zweckmäßigerweise ist die Spannung V2 im zweiten Modus mehr als doppelt so groß wie im ersten Modus. Vorzugsweise beträgt die Spannung V2 im ersten Modus weniger als 100 Volt und im zweiten Modus mehr als 200 Volt.
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Nachstehend soll unter Bezugnahme auf die 4 ein Verfahren zum Betrieb des fluidischen Systems 10 erläutert werden.
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Zu Beginn des Verfahrens befindet sich im System-Volumen, insbesondere in dem Verbindungs-Innenvolumen 46 und/oder dem Ventilanordnungs-Innenvolumen 45 das Systemfluid, dessen Zusammensetzung in diesem Zustand nicht bekannt, also undefiniert, ist. Zweckmäßigerweise beginnt das Verfahren zu einem Zeitpunkt, zu dem das fluidische System 10 noch nicht eingeschaltet ist und/oder einen Druckverlust im System-Volumen erlitten hat, so dass die Umgebungs-Atmosphäre in das System-Volumen eindringen konnte.
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Das Antriebsglied 15 befindet sich exemplarisch in einer Nulllage, das Volumen der Druckkammer 14 kann in diesem Zustand gleich null sein.
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Die erste Ventileinheit 11 ist beispielsweise geschlossen, die zweite Ventileinheit 12 ist beispielsweise geöffnet. Zweckmäßigerweise sind die beiden Ventileinheiten 11, 12 nicht bestromt.
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Die Steuereinheit 2 startet in einem ersten Schritt S1 den Spülmodus SM, insbesondere automatisch. Im Spülmodus SM wird die nachfolgend erläuterte Spülprozedur abgearbeitet. Zweckmäßigerweise werden die Ventileinheiten 11, 12 im Spülmodus SM mit einer reduzierten Spannung betrieben, also beispielsweise in dem vorstehend erläuterten ersten Modus.
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In dem Schritt S2 wird die vorstehend erläuterte erste Spülphase eines Spülzyklus durchgeführt. Die erste Ventileinheit 11 wird geöffnet und die zweite Ventileinheit 12 wird geschlossen. Das System-Volumen (kann auch als „Antriebsstrang“ bezeichnet werden) wird unter Druck gesetzt. Das Systemfluid wird mit dem einströmenden Druckfluid, beispielsweise Luft, vermischt. Exemplarisch erfolgt im Schritt S2 ein Druckanstieg von > 1 bar. Exemplarisch misst die Steuereinheit 2 das „Spülvolumen“ über die Drucksensoreinheit 8.
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Wenn der Druckwert Pw den oberen Grenzwert Pmax erreicht, fährt die Steuereinheit 2 mit dem Schritt S3 fort.
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In dem Schritt S3 wird die vorstehend erläuterte zweite Spülphase eines Spülzyklus durchgeführt. Die erste Ventileinheit 11 wird geschlossen und die zweiten Ventileinheit 12 wird geöffnet.
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Das System-Volumen wird bis auf den unteren Grenzwert Pmin entlüftet. Dadurch sind Teile des System-Volumens schon mit dem „sicheren“ Druckfluid gefüllt und/ oder eine Verdünnung ist eingetreten.
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Wenn der Druckwert Pw den unteren Grenzwert Pmin erreicht, fährt die Steuereinheit 2 mit dem Schritt S4 fort.
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Bei Schritt S4 wird exemplarisch geprüft, ob eine Abbruchbedingung für den Spülmodus gegeben ist, beispielsweise, ob eine vorgegebene Zahl an Spülzyklen erreicht wurde und/oder ob der Spülmodus bereits eine vorgegebene Zeit lang andauert.
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Ist die Abbruchbedingung gegeben, dann beendet die Steuereinheit 2 den Spülmodus. Zweckmäßigerweise fährt die Steuereinheit 2 dann im Schritt S5 mit dem normalen Betriebsmodus BM fort.
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Ist die Abbruchbedingung nicht erfüllt, kehrt die Steuereinheit 2 zu dem Schritt S2 zurück.
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Bei einem detektierten Druckluft- oder Stromausfall wird zu dem Schritt S1 zurückgekehrt.
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Nachstehend soll auf weitere exemplarische Aspekte eingegangen werden.
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Vor Durchführung des Spülmodus ist nicht definiert, welche Atmosphäre sich innerhalb der Ventileinheiten 11, 12 die insbesondere als Piezoventile ausgebildet sind, befindet. Dieser Zustand ist anzunehmen, wenn die Steuereinrichtung 20, beispielsweise ein pneumatischer Aktor, in dem die Ventileinheiten 11, 12 Verwendung finden, gerade eingeschaltet wurde oder ein Druckausfall des Versorgungsdrucks, beispielsweise des von der Druckfluidquelle 6 bereitgestellten Drucks, eingetreten ist. Die Ventileinheiten werden in diesem Zustand im ersten Modus betrieben. Auf diese Weise kann durch die Schutzart „low power apparatus“ der benötigte Ex-Schutz erreicht werden.
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Im daraufhin durchgeführten Spülmodus wird das System-Volumen, also beispielsweise die freien Volumina des fluidischen Aktors 3 (z.B. ein Arbeitszylinder), der Ventilanordnung 1 (z.B. ein Ventilblock), der fluidischen Verbindung 5 (z.B. Leitungen) und der Ventileinheiten 11, 12 (z.B. Piezoventile) mit zweckmäßigerweise mindestens dem 5-fachen des relevanten Gehäusevolumens in Anlehnung an IEC/ EN 60079-2 „gespült“.
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Nach dem „Spülen“ im Spülmodus befindet sich innerhalb der Piezoventile eine nichtexplosive, sichere Atmosphäre. Die Ventileinheiten 11, 12 können von daher im zweiten Modus betrieben werden, insbesondere solange kein Druckverlust innerhalb des fluidischen Aktors 3 von der Drucksensoreinheit 8 erkannt wird. Das fluidische System 10 wird nun im normalen Betriebsmodus betrieben.
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Das Spülen des System-Volumens, insbesondere der Druckkammer 14, erfolgt zweckmäßigerweise durch Füllen und Entleeren des gesamten Stranges über zyklische Druckänderung innerhalb des Antriebs. Dabei befinden sich die Ventileinheiten 11, 12 in dem ersten Modus, es darf sich also explosionsfähige Atmosphäre an den Keramikschichten 31, 32 der Ventileinheiten 31, 32 befinden.
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Zuerst wird der Druck im System-Volumen durch Öffnen der ersten Ventileinheit 11 erhöht. Die erste Ventileinheit 11 kann auch als Belüfterventil bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise bleibt der Druck im Systemvolumen unterhalb dem Wert, mit dem das Aktorglied 15 bewegt werden kann.
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In einer nachfolgenden Phase wird der Druck im Systemvolumen über die zweite Ventileinheit 12 wieder abgebaut. Die zweite Ventileinheit 12 kann auch als das Entlüfterventil bezeichnet werden. Dabei wird ein Anteil des Gases, welches sich in der Druckkammer 14 befunden hat, nach draußen befördert und durch Druckluft ersetzt.
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Dieser Spülvorgang wird mehrfach wiederholt, bis sich keine explosionsfähige Atmosphäre mehr im Antriebsstrang befindet.
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Durch dieses Pumpverfahren kann der Antrieb bei Startup kontrolliert gespült werden bevor die Steuereinrichtung 20 - beispielsweise ein Positioner - ihre eigentliche Arbeit aufnimmt.
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Folglich ist es möglich, pneumatische Antriebe (z.B. den fluidischen Aktor 3) von Aktoren (z.B. ein Prozessventil) mit Piezoventilen durch Druckvariationen zu spülen, um so explosive Atmosphäre aus dem Antriebsstrang (z.B. dem System-Volumen) zu entfernen, ohne dass sich der Antrieb (z.B. das Aktorglied 15) dazu bewegen muss. Nach diesem Spülen ist ein gefahrlos normaler Betrieb möglich, da der vorhandene Überdruck keine Ex-Atmosphäre an gefährliche Potenziale zulässt. Es findet also ein Spülvorgang durch Druckvariation statt; der Antrieb muss sich hierbei nicht bewegen. Zweckmäßigerweise werden die Piezoventile während des Spülvorgangs in dem ersten Modus betrieben, wodurch sie kurzzeitig Ex-fähig sind.