Einfache Integration von Piezoventilen für Gas-Handling

Proportionale Magnetventile ersetzen und bis zu 95 % Energie sparen

Extrem energiesparend, geräuschlos und ohne Wärmeentwicklung – die Piezotechnologie bietet viele Vorteile für effizientes und präzises Gas Handling in der Medizintechnik und Laborautomation. Der größte Unterschied von Piezoventilen im Vergleich zu proportionalen Magnetventilen ist der bis zu 95 % niedrigere Energieverbrauch. Ein Austausch der Ventile war bisher aber nicht ohne weiteres möglich, denn die Piezotechnologie erfordert Spannungen von bis zu 310 V und damit immer eine spezifische Elektronik. Inzwischen gibt es dafür einfache Lösungen, die in diesem Artikel vorgestellt werden.

Warum Piezoventile bis zu 310 V Spannung benötigen

Das Prinzip der Piezotechnologie ist mit einem Magnetventil nicht vergleichbar. Kernelement ist die Piezokeramik. Wenn sie elektrisch aufgeladen wird, entsteht eine Polarisation, die zu einer Verbiegung führt. Diese ist proportional zur angelegten Spannung und ermöglicht so eine proportionale Durchfluss- oder Druckregelung. Je höher also die Spannung desto größer der Durchfluss. Die Stromverbrauchskurve sieht dabei komplett anders aus als bei einem proportionalen Magnetventil, dessen Spule immer bestromt werden muss. Nur so entsteht das Magnetfeld, das den Anker vom Ventilsitz abhebt. Im Gegensatz dazu braucht ein Piezoventil keine konstante Bestromung. Es verhält sich wie ein Kondensator. Um die Keramik einmal zu laden, reicht ein initialer Strom und dann geht der Stromverbrauch praktisch auf Null.

Wie Durchfluss und Druck gesteuert werden

Piezoventile sind sehr einfach aufgebaut. Sie bestehen aus einem Gehäuse mit den Ports, in dem die Düsen miteingespritzt sind. Durch diese strömt das Gas ein oder aus. Es gibt einen oder zwei Bieger – aus der Piezokeramik – und darüber jeweils eine Feder, die für die Rückstellung sorgt.

Je nachdem, ob Sie Druck oder Durchfluss steuern wollen, kommt für Sie ein 2/2- oder 3/3-Wegeventil in Betracht.

Je nachdem, ob Sie Druck oder Durchfluss steuern wollen, kommt für Sie ein 2/2- oder 3/3-Wegeventil in Betracht.

Mit einem 2/2-Wegeventil lässt sich der Durchfluss einfach steuern. Es hat einen Bieger und zwei Ports. Je nachdem wieviel Spannung man anlegt, desto weiter macht es auf.

Ein 3/3-Wegeventil besitzt drei Ports und zwei Bieger. Mit dieser kompakten Lösung ist eine komplette Druckregelung möglich. Es gibt einen Bieger fürs Belüften bzw. die Druckerhöhung und einen zweiten Bieger fürs Entlüften bzw. die Druckreduzierung. Der dritte Zustand ist geschlossen. Dann wird der Druck gehalten. Mit so einem 3/3-Ventil lässt sich z. B. ein Druck ganz einfach steuern. So eine 3/3 Funktion gibt es bei Magnetventilen nicht.

Wie sich Piezoventile einfach integrieren lassen

Wie schon erwähnt funktionieren Piezoventile nicht mit 12 V, sondern benötigen eine spezielle Elektronik. Um diese Ansteuerung deutlich zu vereinfachen, hat Festo mit der neuen Lösung VAVE-P eine Piezo-Treiber-Elektronik entwickelt, die genau die Piezo-Spezifika beinhaltet.

Mit dem Einsatz einer Piezo-Treiber-Elektronik benötigen Sie für die Ansteuerung der Piezoventile nur noch 12 bis 24 V.

Mit dem Einsatz einer Piezo-Treiber-Elektronik benötigen Sie für die Ansteuerung der Piezoventile nur noch 12 bis 24 V.

VAVE-P wird ganz normal mit 12 bis 24 V betrieben und erzeugt die Piezo-Spannung. Es ist alles enthalten, was für die spezifische Ansteuerung der Piezoventile notwendig ist: eine einfache Open-Loop-Ansteuerungselektronik, 310 V Spannungserzeugung und die 2-kanalige Piezo-Treiberstufe mit Strombegrenzung.

Die Piezo-Treiber-Elektronik VAVE-P enthält alles, was notwendig ist: Open-Loog-Ansteuerungselektronik, 310 V Spannungserzeugung und 2-kanalige Piezo-Treiberstufe mit Strombegrenzung.

Die Piezo-Treiber-Elektronik VAVE-P enthält alles, was notwendig ist: Open-Loog-Ansteuerungselektronik, 310 V Spannungserzeugung und 2-kanalige Piezo-Treiberstufe mit Strombegrenzung.

Durch die zweikanalige Elektronik können zwei Ventile für die Durchflussregelung angesteuert werden oder ein 3/3-Ventil für die Druckregelung mit getrennter Ansteuerung von Be- und Entlüftung.

Das Interface ist immer gleich, zwei analoge Eingänge und die flexible Spannungsversorgung von 12 bis 24 Volt. Einfacher kann ein proportionales Magnetventil nicht ersetzt werden.

Wie Durchfluss und Druck komplett geregelt werden

Darüber hinaus gibt es auch Lösungen, die bereits alle Elemente für die komplette Regelung von Durchfluss oder Druck beinhalten. Der kompakte Durchflussregler VEMD von Festo vereint Piezoventil, Durchflusssensor und Regel-Elektronik. Damit lässt sich ein absolut lineares Verhältnis von Eingangsspannung und Ausgangsdurchfluss erzielen.

Mit Massendurchflussregler VEMD lässt sich ein absolut lineares Verhältnis von Eingangsspannung und Ausgangsdurchfluss erzielen.

Mit Massendurchflussregler VEMD lässt sich ein absolut lineares Verhältnis von Eingangsspannung und Ausgangsdurchfluss erzielen.

Das Gegenstück für die Druckregelung ist das Proportional-Druckregelventil VEAB mit zwei Piezoventilen, jeweils mit einem Piezobieger fürs Belüften und einem Piezobieger fürs Entlüften. Dazu kommen die Elektronik und ein Drucksensor. Damit ist eine komplette Closed-Loop-Druckregelung auf kleinstem Einbauraum möglich.

Mit dem proportionalen Druckregelventile VEAB ist eine komplette Closed-Loog-Druckregelung auf kleinstem Einbauraum möglich

Mit dem proportionalen Druckregelventile VEAB ist eine komplette Closed-Loog-Druckregelung auf kleinstem Einbauraum möglich

Oktober 2021

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