DE69715997T2

DE69715997T2 - Vorrichtung und Methode zur Positionsregelung des Steuerkolbens eines Ventils mit innerer Regelschleife.

Info

Publication number: DE69715997T2
Application number: DE69715997T
Authority: DE
Inventors: Brian Smith
Original assignee: Flowserve Management Co
Current assignee: Flowserve Management Co
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: US5884894A; JPH1078163A; EP0827056B1; EP0827056A2; EP0827056A3; DE69715997D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Ventilsteuersystem, um ein Ventil in Reaktion auf ein elektrisches Steuersignal zu positionieren, und betrifft insbesondere ein Spulensteuersystem zur Verwendung in einem Ventilsteuersystem.

Stand der Technik

Ventilsteuersysteme positionieren typischerweise ein Ventil in Reaktion auf ein Steuersignal, das im Wesentlichen ein elektrisches Signal ist, das außerhalb des Ventilsteuersystems erzeugt wird. Der Strompegel des elektrischen Signals repräsentiert die Sollposition des Ventils. Beispielsweise reagieren viele Ventilsteuersysteme auf Steuersignale, die zwischen 4 bis 20 Milliampere variieren, wobei 4 Milliampere die vollständig geschlossene Position kennzeichnet, 20 Milliampere die vollständig geöffnete Position kennzeichnet und ein Signal zwischen 4 und 20 Milliampere in linearer Weise eine teilweise geöffnete (oder geschlossene) Ventilstellung repräsentiert.
Viele Ventilsteuersysteme umfassen ferner einen Ventilsensor zum Erfassen der Position des Ventils und zum Erzeugen eines elektrischen Rückkopplungssignals, das die momentane Position des Ventils darstellt. Eine Befehlsschaltung vergleicht das elektrische Rückkopplungssignal mit dem Steuersignal und erzeugt ein Korrektursignal. Das Korrektursignal spricht nach der Bearbeitung ein elektropneumatisches Element an, etwa den Block und die Spulenkörpereinrichtung, die im Anschluss daran detailliert beschrieben werden, um einen Druck in einem pneumatischen Aktuator hervorzurufen, der das Ventil physikalisch auf die Sollposition bewegt.
Bekannte Ventilsteuersysteme weisen eine Verzögerungszeit zwischen dem Empfang des Steuersignals und dem tatsächlichen Stellen des Ventils auf. Bekannte Systeme zeigen ebenso eine gewisse Unfähigkeit, um ein Ventil präzise in einer teilweise geöffneten Position in Reaktion auf ein geeignetes Steuersignal zu halten. Es besteht ein Bedarf für ein verbessertes Ventilsteuersystem mit einer rascheren Antwortzeit bzw. Reaktionszeit und einer verbesserten Positionssteuerung.
EP 0462432 offenbart ein integriertes Prozesssteuerventil mit einem Fluidventilkörper mit einem Einlass zum Aufnehmen des Fluids, einem Auslass zum Abgeben des Fluids, einer Fluidstromdurchführung, die den Einlass und den Auslass verbindet, und ein steuerbares Dosierelement, das bewegbar ist, um die Durchflussrate des Fluids durch die Fluidstromdurchführung selektiv zu variieren. Das Ventil umfasst ferner einen Aktuator, der mit dem Ventilkörper gekoppelt ist und auf Steuersignale reagiert.
WO 94/22777 offenbart ein Steuersystem für ein durch einen pneumatischen Kolben und einen Zylinder angesteuertes Element durch Steuerung eines magnetisch angetriebenen proportionalen Pneumatikventils, das Ventilsteuersignale aus einer Servosteuerkarte empfängt, die einen Mikroprozessor und einen Speicher umfasst.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Spulensteuersystem bereitzustellen, das ferner in einem Ventilsystem verwendbar ist. Die obige Aufgabe sowie weitere Aufgaben der Erfindung sind in einem Spulensteuersystem realisiert, wie es im Anspruch 1 definiert ist und in einem Ventilsteuersystem, wie es im Anspruch 4 definiert ist. Das Rückkopplungssystem der inneren Schleife einschließlich des Spulensensors, dem Spulenlagesteuerelement und dem Spulenpositionierelement verleihen diesem Steuersystem eine überlegene Leistungsfähigkeit gegenüber dem Stand der Technik bei verringerter Leistungsaufnahme und verbesserter Ventilpositionssteuerung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen Aufgaben und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher hervor; es zeigen:
Fig. 1 eine Blockansicht eines Ventilsteuersystems mit der erfindungsgemäßen Innenschleifensteuerung,
Fig. 2 eine Ansicht eines Block- und Spulenmechanismus, der zur Verwendung in dem Ventilsteuersystem aus Fig. 1 verwendbar ist;
Fig. 3A die Funktion des Block- und Spulenmechanismus, wobei die Spulenkörpereinrichtung sich in der neutralen Position befindet;
Fig. 3B die Funktion des Block- und Spulenmechanismus, wobei der Luftstrom auf die untere Position gerichtet ist;
Fig. 3C die Funktion des Block- und Spulenmechanismus, wobei der Luftstrom auf die obere Position gerichtet ist;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Hall-Sensorschaltung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 5A einen Graphen, der die durchschnittliche Stromaufnahme eines Hall-Sensors für diverse ausgeführte Einschaltverhältnissen darstellt;
Fig. 5B einen Graphen, der das Ausgangssignal eines Hall-Sensors, Abtastzyklen und das Ausgangssignal einer Abtast-und-Halte-Schaltung zeigt; und
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Innenschleifenschaltung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt eine anschauliche Ausführungsform eines Ventilsteuersystems 10 zum Steuern eines Ventils 14, das den Strom eines Fluides blockiert oder durchlässt, etwa von Öl, Treibstoff, Gas oder Wasser, durch eine Leitung 20 oder eine andere Durchführung. In Reaktion auf ein außerhalb erzeugtes Steuersignal 26 positioniert das Ventilsteuersystem 10 das Ventil 14 und hält dieses in einer geöffneten, teilweise geöffneten oder teilweise geschlossenen oder in einer geschlossenen Position, wie dies dem Steuersignal entspricht.
Das Ventilsteuersystem 10 umfasst eine Befehlsschaltung 30, eine PI-Steuerschaltung 32, eine Innenschleifensteuerschaltung 34 und einen Aktuator 36. Der Aktuator 36 ist ein pneumatisches Element, dass das Ventil 14 physikalisch in seiner geöffneten, teilweise geöffneten, teilweise geschlossenen oder geschlossenen Position hält. Die Befehlsschaltung 30, die PI-Steuerschaltung 32 und die Innenschleifensteuerschaltung 34 umfassen elektrische Schaltungen, um das Steuersignal 26 zu verarbeiten, dieses mit der tatsächlichen Position des Ventils zu vergleichen und ein Signal für einen Block- und Spulmechanismus 54 zu erzeugen, der die Funktion des Aktuators 36 steuert.
Das Steuersignal 26 wird außerhalb des Ventilsteuersystems 10 erzeugt und definiert eine Sollposition des Ventils 14. Das Steuersignal 26 kann von einem Computer oder einem anderen Steuersystem erzeugt werden. Ein herkömmlicher Standard für die Ventilsteuerung beinhaltet ein Steuersignal, das zwischen 4 und 20 Milliampere variiert, wobei 4 Milliampere die vollständig geschlossene Position des Ventils repräsentiert, 20 Milliampere die vollständig geöffnete Position des Ventils repräsentiert und ein Signal zwischen 4 und 20 Milliampere in linearer Weise eine teilweise geöffnete (oder geschlossene) Position des Ventils darstellt. Ein weiterer Standard enthält ein Steuersignal, wobei 20 Milliampere die geschlossene Position und 4 Milliampere das geöffnete System repräsentieren. Diese Erfindung ist nicht auf einen Signalsteuerbereich von 4 bis 20 Milliampere beschränkt und diverse andere Standardmaße für die Steuersignale könnten verwendet werden.
Ein typische Steuersignalform umfasst eine stufenartige Erhöhung von 4 Milliampere auf 20 Milliampere, um das Ventil rasch von einer geschlossenen Position aus zu öffnen, oder eine stufenweise Absenkung, um das Ventil rasch zu schließen. Eine weitere typische Steuersignalform weist einen rampenförmigen Anstieg auf, wobei das Signal linear ansteigt, um das Ventil langsam zu öffnen, oder linear abfällt, um das Ventil langsam zu schließen. Das Steuersignal kann jedoch andere Signalmuster als eine Stufe oder eine Rampe beinhalten.
Wieder gemäß Fig. 1 erfasst ein Außenschleifensensor 12 die tatsächliche Position des Ventils 14 und erzeugt ein Außenschleifenrückkopplungssignal 22, das über eine äußere Rückkopplungsschleife 42 der Befehlsschaltung 30 zugeführt wird. Die Befehlsschaltung 30 vergleicht das Außenschleifenrückkopplungssignal 22 mit dem Steuersignal 26 und erzeugt ein Korrektursignal 28, das definiert, wie das Ventil zu bewegen ist, so dass dieses sich in der durch das Steuersignal gekennzeichneten Position befindet.
Eine PI-Steuerschaltung 32 verarbeitet das Korrektursignal 28, um ein Ausgangssignal 24 zu erzeugen, das proportional zu einer Linearkombination des Korrektursignals und des zeitlichen Integrals des Korrektursignals ist. Anstelle einer PI-Steuerung könnte ebenso eine PID-Steuerung verwendet werden, um das Korrektursignal 28 zu verarbeiten. Eine PID-Steuerung ist ein Steuersystem, indem das Ausgangssignal 24 proportional zu einer Linearkombination des Korrektursignals, des zeitlichen Integrals des Korrektursignals und der zeitlichen Ableitung des Korrektursignals ist. Das Ausgangssignal 24 der PI-Steuerschaltung 32 oder der PID-Steuerschaltung wird in eine Spulenbefehlsschaltung 50 der Innenschleifensteuerschaltung 34 eingespeist, die auch eine Spulenpositionierschaltung 52 und einen Block- und Spulenmechanismus 54, der mit dem Aktuator 36 verbunden ist, umfasst. Ein Innenschleifensensor 56 erfasst die Position der Spulenkörpereinrichtung des Block- und Spulenmechanismus 54 und gibt ein Innenschleifenrückkopplungssignal 62 über eine innere Rückkopplungsschleife 64 zu der Spulenbefehlsschaltung 50 zurück. Die Spulenbefehlsschaltung 50 vergleicht das Innenschleifenrückkopplungssignal 62 mit dem Ausgangssignal 24 der Steuerschaltung 32 und erzeugt ein Spulenpositioniersignal 36, um die Spulenkörpereinrichtung des Block- und Spulenmechanismus 54 in die geeignete Position zu bewegen. Der Innenschleifensensor 56 verleiht zusammen mit der inneren Rückkopplungsschleife 64 dem Ventilsteuersystem eine schnellere Reaktionszeit auf das Steuersignal und eine präzisere Regelung der Ventilposition, als dies mit bekannten Systemen möglich wäre.
Der Block- und Spulenmechanismus 54 ist ein pneumatisches Element, das den pneumatischen Druck anwendet, um die Ventilposition mittels des Aktuators 36 zu steuern, obwohl auch hydraulischer Druck anwendbar wäre. Ein an dem Ventil 14 angebrachter Kolben 16 bewegt sich in Reaktion auf eine Änderung des pneumatischen Drucks. Wenn der pneumatische Druck in einer oberen Kammer 362 über dem Kolben ansteigt, bewegt der Kolben 16 das Ventil 14 nach unten in die geschlossene Position. Wenn der pneumatische Druck in einer unteren Kammer 364 unterhalb des Kolbens ansteigt, bewegt der Kolben das Ventil nach oben in Richtung der geöffneten Position. Der Block- und Spulenmechanismus 54 führt pneumatischen Druck in die oder aus der oberen Kammer 352 heraus mittels eines oberen Ausgangs 546 und führt pneumatischen Druck in die untere Kammer 364 zu oder von dieser ab mittels eines unteren Ausgangs 548.
Fig. 2 zeigt eine detailliertere schematische Ansicht des Block- und Spulenmechanismus 54, wobei dieser einen Block 544 enthält, der eine Spulenkörpereinrichtung 542 aufnimmt, wobei die Spulenkörpereinrichtung gleitbar innerhalb einer Spulenkammer 543 des Blocks 544 angeordnet ist. Die Position der Spulenkörpereinrichtung 542 in Bezug zur Position des Blocks 544 steuert die pneumatische Druckströmung durch den oberen Ausgang 546 und den untere Ausgang 548, vgl. Fig. 1. Die Spulenkörpereinrichtung 542 ist im Wesentlichen die Gegenform der Spulenkammer 543, weist allerdings Stege 562 auf, die den pneumatischen Druck blockieren und Durchlässe 564, die den pneumatischen Druck übertragen, siehe Fig. 3A.
Fig. 3A, 3B und 3C stellen die Funktion des Block- und Spulenmechanismus 54 dar. Pneumatischer Druck wird über einen Eingang 550 zugeführt. Wenn die Spulenkörpereinrichtung sich in der neutralen Position befindet, die in Fig. 3A gezeigt ist, blockiert die Spulenkörpereinrichtung 542 die pneumatische Strömung zu dem oberen Ausgang 546 und dem unteren Ausgang 548. Wenn die Spulenkörpereinrichtung 542 sich über der neutralen Position befindet, wie in Fig. 3B gezeigt, wird der pneumatische Druck von dem Eingang 550 über den oberen Ausgang 546 geleitet. Die Spulenkörpereinrichtung 542 ermöglicht es ferner, dass der pneumatische Druck in dem unteren Ausgang 548 über eine untere Leitung 542 entweicht. Wenn die Spulenkörpereinrichtung unterhalb der neutralen Position ist, wie in Fig. 3C gezeigt, wird der pneumatische Druck von dem Eingang 550 über den unteren Ausgang 548 weitergeleitet. Die Spulenkörpereinrichtung ermöglicht es dann, dass der pneumatische Druck in dem oberen Ausgang 546 über eine obere Leitung 554 entweicht.
Wieder gemäß Fig. 2 steuert ein Druckregulator 524 den Druck zu einem Druckmodulator 212. Ein Kolben, eine Membran und eine Feder 560 positionieren in Verbindung mit dem Druckmodulator 212 die Spulenkörpereinrichtung 542 in dem Block 544. Der Druckmodulator 212 ist ein herkömmliches elektropneumatisches Element, das die Spulenkörpereinrichtung 542 bewegt. Die Spulenkörpereinrichtung 542 bewegt sich nach oben, wenn der Strom zu dem Druckmodulator 212 ansteigt und bewegt sich nach unten, wenn der Strom abfällt.
Wie bereits in Fig. 1 gezeigt ist, erfasst der Innenschleifensensor 56 die Position der Spulenkörpereinrichtung 542. Obwohl diverse verschiedene Arten von Positionsdetektionswandlern anwendbar sind, wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist, in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Hall-Effektsensor 156 mit linearem Ausgang verwendet, um die Position eines an der Spulenkörpereinrichtung 542 montierten Magneten 561 zu erfassen. Der Hall-Effektsensor ist ein Wandler, der mit einer Ausgangsspannung antwortet, wenn das angelegte Magnetfeld sich in irgendeiner Weise ändert. Ein Hall-Effektsensor mit linearem Ausgang erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zu dem magnetischen Feld ist, und wird verwendet, um relativ geringe Änderungen des magnetischen Feldes zu erfassen. Somit variiert die Ausgangsspannung des Hall-Effektsensors, wenn sich die Position des Magneten 561 in Abhängigkeit von der Position des Hall- Effektsensors 156 ändert. Die Schaltungen, die die Ausgangsspannung des Hall- Effektsensors detektieren und den Strom zum Ansteuern des Druckmodulators 212 erzeugen, werden nachfolgend beschrieben.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht der Hall-Effektsensorschaltung, die eine Schaltung darstellt, um die Stromversorgung für den Hall-Effektsensor ein und aus zu schalten. Ein typischer Hall-Effektsensor zieht einen durchschnittlichen Strom von 5 Milliampere mit einem Maximum von 10 Milliampere. Mit den standardmäßigen Steuersignalen, die nunmehr verwendet werden, kann dieser aufgenommene Strom nicht mehr von einem schleifengespeisten Bauteil bereit gestellt werden. Die maximalen 10 Milliampere sind nahezu hundert Prozent des verfügbaren Stromes. Wie jedoch in Fig. 5A gezeigt ist, wird, wenn der Hall-Effektsensor lediglich momentan eingeschaltet und anschießend abgeschaltet wird, der durchschnittlich aufgenommene Strom mit dem angewendeten Tastgrad bzw. Einschaltverhältnis multipliziert. Beispielsweise würde ein Einschaltverhältnis von 1/64 die Stromaufnahme um einen Faktor 64 reduzieren. Daher würde die maximale 10 Milliampere Stromaufnahme auf 156 Mikroampere verringert, was eine geringe Belastung für die in diesen Schaltungen verwendete Steuersignale darstellen würde.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, bestimmt eine digitale Steuerschaltung 570 für die Schaltung 571 das Einschaltverhältnis. Durch Erzeugen von Zeitsteuerimpulsen 570 mittels eines Mikrokontrollers macht diese Schaltung externe Komponenten unnötig. Die Zeitsteuerpulse und die Abtastfrequenz können jedoch auch durch ein Softwareprogramm oder andere pulserzeugende Schaltungen außerhalb des Ventilsteuersystems gesteuert werden.
Eine Operationsverstärkerschaltung 573 aus Fig. 4 bereitet das Ausgangssignal des Hall-Effektsensors 575 auf. Die Schaltung 572 aus Fig. 4 ist eine Präzisionsspannungsquelle für den Hall-Sensor.
Eine Operationsverstärkerschaltung 574 aus Fig. 4 ist eine Abtast- und Halte-Schaltung. Wenn ein digitaler Steuersignalanschluss 576 hochpegelig ist, wird das Ausgangssignal des Hall-Effektsensors abgetastet und die Hall-Effektsensorausgangsspannung wird im Kondensator 577 gehalten. Wenn das Signal am Anschluss 576 niederpeglig ist, hält der Kondensator 577 die Hall-Effektsensorausgangsspannung bis zum nächsten Abtastimpuls. Wenn die Hall-Effektsensorausgangsspannung mit einer höheren Rate abgetastet wird als die Aktuatoraußenschleife reagieren kann, nimmt der Hall-Effektsensor weniger Leistung auf, aber es wird dennoch eine verbesserte Positionierleistungsfähigkeit mit vernachlässigbarer Verzögerung in der Reaktionszeit des Ventilsteuersystems erreicht. Wenn die Sensorausgangsspannung nach jeder Abtastung gehalten wird, ist eine stabile Spulenposition möglich.
Die obere Linie in Fig. 5B, als "Sensorausgang" gekennzeichnet, zeigt ein Abtastausgangssignal eines Hall-Effektsensors mit kontinuierlichem Einschaltverhältnis. Die zweite Linie als "Sensorsteuerung EIN/AUS" bezeichnet, zeigt den von der Digitalsteuerschaltung 571 aus Fig. 4 erzeugten Zeitsteuerimpuls. Dies ist die tatsächliche Zeit, in der der Hall-Effektsensor eingeschaltet ist. Die dritte Linie in Fig. 5B, als "Sensorabtastung" bezeichnet, zeigt den am Anschluss 576 aus Fig. 4 erzeugten Abtastimpuls. Wie zuvor angemerkt ist, wird, wenn der Anschluss 576 hochpegelig ist, das Ausgangssignal aus dem Hall-Effektsensor abgetastet. Die unterste Linie in Fig. 5B, als "Sensor gehalten" bezeichnet, repräsentiert das Ausgangssignal des Abtast- und Halteanschlusses 578 aus Fig. 4. Die Sensor-"Halte"-Ausgangsleitung, die das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung darstellt, ist ähnlich, jedoch leicht verzögert, zu der Sensorausgangsleitung, die das Ausgangssignal eines kontinuierlich betriebenen Hall- Effektsensors darstellt. Wenn jedoch der Hall-Effektsensorausgang mit einer Frequenz abgetastet wird, die schneller ist als die Aktuatoraußenschleife reagieren kann, ist das Abtast- und Halteausgangssignal ausreichend, um die Spulenkörpereinrichtung geeignet zu positionieren. In der Praxis ist ein derartiges Ergebnis leicht erreichbar. Da elektrische Schaltungen ungleich schneller reagieren als mechanische Teile des Ventilsteuersystems, erzeugt eine geringe Verzögerung im Signalausgang eine vernachlässigbare Verzögerung während des Betriebs des Ventilsteuersystems. In der vorliegenden Erfindung werden die mechanischen Reaktionszeiten so erhöht, dass der Gewinn wesentlich größer ist als eine beliebige elektrische Schaltungsverzögerung.
Das Ausgangssignal der Abtast-und-Halteschaltung 574 aus Fig. 4 wird am Anschluss 578 erzeugt, und dieser ist der Eingang in einen invertierenden Verstärker 579 aus Fig. 6. Die invertierende Verstärkerschaltung 579 (Fig. 6) invertiert das Ausgangssignal der Abtast-und-Halteschaltung, so dass die Steuersignalpolarität richtig ist. Das heißt, wenn die Spulenkörpereinrichtung nach oben geht, steigt die Spannung an. Wenn die Spulenkörpereinrichtung nach unten geht, fällt die Spannung ab. Ohne die Schaltung 579 wäre die Spannungsänderung umgekehrt. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Schaltung 579 in einfacher Weise aus der Schaltungsplanung weggelassen werden. Die Schaltung 580 aus Fig. 6 ist eine Differenzverstärkerschaltung. Diese Schaltung vergleicht das Steuereingangssignal 24 und das Hall- Effektsensorausgangssignal. Der Steuereingang ist das Steuersignal, das die gewünschte Position der Spulenkörpereinrichtung spezifiziert. Das Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung 580 wird mittels eines Filters 581 gefiltert und der Multiplizierschaltung 582 mit fester Verstärkung zugeführt. Die Multiplizierschaltung 582 mit fester Verstärkung multipliziert das Ausgangssignal von 581 mit einer konstanten Verstärkung und führt das multiplizierte Signal der Schaltung 583 aus Fig. 6 zu, die die Stromquelle für den zuvor beschriebenen Druckmodulator 212 darstellt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Spulenkörpereinrichtung bewegt, wird durch die proportionale Verstärkung der Multiplizierschaltung 582 bestimmt.
Die Stromquellenschaltung 583 erzeugt eine zu dem Ausgangssignal der Schaltung 582 proportionalen Strom. Diese Stromquelle steuert den Druckmodulator 212 an. Wie zuvor beschrieben ist, ist der Druckmodulator ein elektropneumatisches Element, das die Spulenkörpereinrichtung bewegt. Die Spulenkörpereinrichtung bewegt sich nach oben, wenn der Strom ansteigt und bewegt sich nach unten, wenn der Strom abfällt.
Zusammengefasst kann gesagt werden, die digitale Steuerschaltung 571 aus Fig. 4 führt dem Hall-Effektsensor 575 Energie zu. Wenn der digitale Steuerimpuls 576 erzeugt wird, tastet die Abtast-und-Halteschaltung 574 die Hall-Effektsensorausgangsspannung ab. Die Innenschleife vergleicht dieses ausgelesene Signal des Hall-Effektsensors, das die tatsächliche Position der Spulenkörpereinrichtung anzeigt, mit der Sollposition der Spulenkörpereinrichtung, die durch den Steuereingang 24 vorgegeben ist (Fig. 6). Wenn eine Differenz vorhanden ist, wird die Stromquelle nach oben oder unten verstellt, um die Spulenkörpereinrichtung zu bewegen. Wie zuvor angemerkt ist, wird die Geschwindigkeit, mit der die Spulenkörpereinrichtung sich bewegt, durch die Proportionalverstärkerschaltung 582 bestimmt.
Die Schaltung 571 aus Fig. 4 zeigt bipolare Transistoren BJT, aber der Fachmann erkennt leicht, dass andere Zeitgeberschaltungen unter Verwendung anderer elektronischer Komponenten, etwa von Feldeffekttransistoren, MOSFETs oder JFETs ebenso verwendbar sind.
Die folgenden Beispiele illustrieren die Funktion und die Vorteile dieser Erfindung.
Beispiel 1: Das Ventilsteuersystem empfängt ein 20 Milliampere Steuersignal 26, das anzeigt, dass das Ventil in der vollständig geöffneten Position sein sollte. Der Außenschleifensensor 12 erkennt, dass das Ventil 14 in einer vollständig geschlossenen Position ist. Die Befehlsschaltung 30 vergleicht das Außenschleifenrückkopplungssignal 22 mit dem Steuersignal 26 und erzeugt ein Korrektursignal 28.
Die Spulenbefehlsschaltung empfängt das Korrektursignal, nachdem das Korrektursignal durch die PI-Steuerung 32 prozessiert worden ist. Das modifizierte Korrektursignal informiert die Spulenbefehlsschaltung, dass das Ventil geöffnet werden muss. Dies bedeutet, dass die Spulenkörpereinrichtung 542 in der unteren Position sein sollte, wie in Fig. 3C gezeigt ist. Die Pule kann jedoch in einer der drei in den Fig. 3A, 3B und 3C dargestellten Positionen sein, abhängig von den vorhergehenden Steuersignalen und der vorhergehenden Position des Ventils. Wenn die vorhergehenden Signale erforderten, dass das Ventil geöffnet ist, und das Ventil geschlossen worden ist, wäre die Spulenkörpereinrichtung bereits in der unteren Position und die Spulenbefehlsschaltung würde ein Spulenkorrektursignal 0 erzeugen und die Spulenkörpereinrichtung würde in Beispiel 2: Das Ventilsteuersystem empfängt ein 15 Milliampere Steuersignal 26, das anzeigt, dass das Ventil zu 70% geöffnet sein sollte. Der Außenschleifensensor erkennt, dass das Ventil tatsächlich zu 70% offen ist. Daher erzeugt die Befehlsschaltung eine Null oder ein neutrales Korrektursignal 28. Ein Null-Korrektursignal teilt der Spulenbefehlsschaltung mit, dass das Ventil in der neutralen Position, die in Fig. 3A gezeigt ist, sein sollte. Die Spulenkörpereinrichtung kann jedoch wiederum in einer der drei in den Fig. 3A, 3B und 3C dargestellten Positionen sein, abhängig von den vorhergehenden Steuersignalen und der vorhergehenden Position des Ventils. Wenn die Spulenkörpereinrichtung in der unteren Position ist, würde die Spulenbefehlsschaltung ein Korrektursignal erzeugen, um die Spulenkörpereinrichtung nach oben in die neutrale Position zu bewegen. Wenn die Spulenkörpereinrichtung bereits in der neutralen Position ist, würde die Spulenbefehlsschaltung ein neutrales Spulenkorrektursignal erzeugen und die Spulenkörpereinrichtung verbliebe in der neutralen Position. Wenn die Spulenkörpereinrichtung sich in der hohen Position befindet, erzeugt die Spulenbefehlsschaltung ein Spulenkorrektursignal, um die Spulenkörpereinrichtung nach unten in die untere Position zu bewegen.
Die Ergebnisse des Beispiels 2 bei Verwendung der vorliegenden Erfindung werden mit einem Ventilsteuersystem nach dem Stand der Technik ohne eine Innenschleife verglichen. Wenn das bekannte Ventilsteuersystem ein Steuersignal empfängt, das anzeigt, dass das Ventil zu 70% offen sein sollte, und der Außenschleifensensor erkennt, dass das Ventil tatsächlich zu 70% offen ist, würde die bekannte Befehlsschaltung ein Null- oder neutrales Korrektursignal erzeugen (wie dies auch die vorliegende Erfindung tut). In dem bekannten Ventilsteuersystem ohne die Innenschleife gelangt das Null- Korrektursignal direkt zu der Spulenkörpereinrichtung. Ein Null-Korrektursignal bedeutet, dass sich die Spulenkörpereinrichtung nicht bewegen würde, sondern in der augenblicklichen Lage verharren würde.
Wenn im Stand der Technik die Spulenkörpereinrichtung sich in der oberen Position befindet, würde diese in der oberen Position verbleiben. Wenn die Spulenkörpereinrichtung in der oberen Position bleibt, schließt sich das Ventil weiterhin bis der Außenschleifensensor erkennt, dass das Ventil weniger als 70% offen ist. Dann erzeugt die Befehlsschaltung ein Korrektursignal, um das Ventil zu öffnen. Dieser Befehl bewirkt, dass die Spulenkörpereinrichtung sich in die untere Position bewegt. In der unteren Position beginnt das Ventil damit, sich zu öffnen und wird sich weiterhin öffnen. Wenn das Ventil zu 70% geöffnet ist, erzeugt die Befehlsschaltung erneut ein Null-Korrektursignal. Da sich die Spulenkörpereinrichtung jedoch nicht in Reaktion auf ein Null-Korrektursignal bewegt, bleibt es in der unteren Position. Somit öffnet sich das Ventil weiterhin, bis das Ventil mehr als zu 70% geöffnet ist. Die Befehlsschaltung erzeugt dann ein Korrektursignal, um das Ventil zu schließen und die Spulenkörpereinrichtung bewegt sich wiederum in die obere Position. Daher schwingt das Ventil um die 70%ige offene Position bis ein neues Steuersignal empfangen wird.
Beispiel 2 stellt weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung dar. Erstens, das Ventilsteuersystem mit der Innenschleife hält das Ventil in einer stetig geöffneten Position, anders als in bekannten Steuersystemen ohne die Innenschleife, die ansonsten kontinuierlich das Ventil über einen Bereich von Ventilpositionen in schwingender Weise führen würden. Somit besitzt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Positionskontrolle gegenüber dem Stand der Technik. Zweitens, in bekannten Steuersystemen ohne die Innenschleife kehrt die Spulenkörpereinrichtung nie oder nur sporadisch und unvorhersagbar in die neutrale Position zurück, sobald sich das Ventil bewegt.
Beispiel 3: Das Ventilsteuersystem empfängt ein 20 Milliamperesteuersignal, das anzeigt, dass das Ventil sich in der vollständig geöffneten Position befinden sollte. Der Außenschleifensensor erkennt, dass das Ventil in einer vollständig geschlossenen Position ist und die Spulenkörpereinrichtung bewegt sich in, oder verbleibt in der unteren Position und das Ventil bewegt sich in die vollständig geöffnete Position, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist. Der Außenschleifensensor erkennt dann, dass das Ventil in einer vollständig geschlossenen Position ist und die Befehlsschaltung erzeugt das Null- oder neutrale Korrektursignal.
In dem Ventilsteuersystem mit einer Innenschleife bewegt sich die Spulenkörpereinrichtung in die neutrale Position. In bekannten Ventilsteuersystemen ohne die Innenschleife bleibt die Spulenkörpereinrichtung in der unteren Position. Das Ventilsteuersystem empfängt dann ein 4 Milliamperesteuersignal, das anzeigt, dass das Ventil in der vollständig geschlossenen Position sein sollte. Das Ventilsteuersystem mit einer Innenschleife besitzt eine schnellere Reaktionszeit auf den neuen Befehl, da sich die Spulenkörperein-
[Text fehlt]

Claims

1. Spulensteuersystem zur Positionierung einer Spulenkörpereinrichtung (542) in Reaktion auf ein Positionssteuersignal (24), wobei die Spulenkörpereinrichtung (542) gleitbar innerhalb eines Blocks (544) angeordnet ist, um pneumatischen Druck zu führen und wobei das Positionssteuersignal (24) ein elektrisches Signal ist, dessen Pegel die Sollposition der Spulenkörpereinrichtung (542) repräsentiert, wobei das Spulensteuersystem umfasst:

eine Spulensensoreinrichtung (56, 156) zum Erfassen der momentanen Position der Spulenkörpereinrichtung (542) und zum Erzeugen eines elektrischen Innenschleifenrückkopplungssignals (62, 578), dessen Pegel die momentane Position der Spulenkörpereinrichtung (542) repräsentiert,

eine Spulenbewegungsbefehlseinrichtung (580, 583) zum Vergleichen des Positionssteuersignals (24) mit dem Innenschleifenrückkopplungssignal (62, 578), um ein elektrisches Spulenpositioniersignal zu erzeugen, und

eine Spulenpositioniereinrichtung (212), die auf das elektrische Spulenpositioniersignal reagiert, um die Spulenkörpereinrichtung (542) innerhalb des Blocks (544) über eine Distanz zu bewegen, die durch das elektrische Spulenpositioniersignal repräsentiert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Spulensteuersystem ferner umfasst:

eine Einrichtung (571) zum periodischen Zuführen von Energie zu der Spulensensoreinrichtung (56, 156), um ein periodisches Erfassen der momentanen Position der Spulenkörpereinrichtung (542) zu ermöglichen, und

eine Abtast-und-Halteschaltung (574), die den Pegel des Innenschleifenrückkopplungssignals (578) zwischen periodischen Abtastvorgängen bewahren kann.

2. Das Spulensteuersystem nach Anspruch 1, wobei die Spulensensoreinrichtung einen an der Spulenkörpereinrichtung montierten Magnet, und einen Hall- Effektsensor, der benachbart zu der Spulenkörpereinrichtung montiert ist, um eine Position des Magneten und damit die Position der Spulenkörpereinrichtung zu detektieren, umfasst.

3. Das Spulensteuersystem nach Anspruch 1, wobei die Frequenz zur periodischen Erfassung variierbar ist.

4. Ventilsteuersystem mit einem Spulensteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

einem Fluiddurchgang,

einem in dem Fluiddurchgang positionierten Ventil, das den Durchfluss von Fluid durch den Fluiddurchgang regulieren kann, und

einem Ventilaktuator, der an das Ventil gekoppelt ist,

wobei die Spulenpositioniereinrichtung mit dem Ventilaktuator gekoppelt ist.