CH662896A5 - Druckregelvorrichtung fuer gasfoermige und fluessige stroemungsmittel. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung für gasförmige und flüssige Strömungsmittel, mit einem Druckregler, der einen Eingang und einen Ausgang für das Strömungsmittel, einen dazwischen angeordneten Druckraum, dessen Druck geregelt werden soll, ein die Strömung des Strömungsmittels durch den Druckraum bestimmendes Hauptventil als Stellglied, einen elektromagnetischen Sollwerteinsteller, eine mit dem zu regelnden Druckraum verbundene Istwertmesskammer, und eine Soll-Ist-Vergleichsvorrichtung aufweist, welche in Abhängigkeit vom Vergleich zwischen dem vom Sollwerteinsteller vorgegebenen Solldruck und dem Istdruck der Istwertmesskammer das Hauptventil betätigt.

Eine solche Druckregelvorrichtung ist aus der DE-OS 2 849 265 bekannt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Druckregelvorrichtung so auszubilden, dass bei Änderungen des Sollwertes und bei Änderungen des Istwertes der Istwert schnell und genau auf den Sollwert eingestellt wird. Dabei sollen die Genauigkeit störende Einflüsse weitgehend vermieden werden. Gleichzeitig soll ein kompakter, kleiner konstruktiver Aufbau der Druckregelvorrichtung erzielt werden, ohne die schnelle Ansprechbarkeit und Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass ein Sollwertumformer vorgesehen ist, welcher einen dem Druck im zu regelnden Druckraum ausgesetzten, ein diesem Druck entsprechendes elektrisches Istsignal erzeugenden Istwertfühler und einen Vergleicher aufweist, der das elektrische Istsignal mit einem ihm vorgegebenen Sollwert vergleicht und ein diesem Vergleich entsprechendes korrigiertes Sollwertsignal an den elektromagnetischen Sollwerteinsteller liefert.

Dadurch hat man eine Kombination aus einer Strömungsmittelrückkopplung und einer elektrischen Rückkopplung. Die Strömungsmittelrückkopplung mit der Istwertmesskammer spricht auf Druckänderungen in der zu regelnden Druckkammer und auch auf Druckänderungen des Sollwerteinstellers schnell an und bewirkt in sehr kurzer Zeit eine Anpassung des Istwertes an den Sollwert. Durch Reibung zwischen den beweglichen Teilen der Vorrichtung und durch Materialspannungen ergeben sich jedoch bleibende Regelabweichungen. Diese bleibenden Regelabweichungen werden durch die durch den Sollwertumformer gegebene elektrische Rückkopplung behoben. Die elektrische Rückkopplung spricht zwar nicht so schnell an wie die Strömungsmittelrückkopplung, ergibt jedoch eine genaue Einstellung der gewünschten Druckwerte, da sie unabhängig ist von Reibungen zwischen Vorrichtungsteilen und unabhängig von mechanischen Materialspannungen dieser Teile. Die Druckregelvorrichtung nach der Erfindung spricht dadurch schnell an und korrigiert Änderungen in kürzester Zeit und ist gleichzeitig frei von Hysterese.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen als Beispiel beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Druckregler der Druckregelvorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Draufsicht auf die Druckregelvorrichtung nach der Erfindung, wobei der untere Teil von Fig. 2 den Druckregler in Draufsicht und der obere Teil im Schnitt einen Sollwertumformer zeigt, der zusammen mit dem Druckregler eine Baueinheit bildet.

Die Druckregelvorrichtung eignet sich insbesondere für gasförmige Strömungsmittel, kann jedoch auch für flüssige Strömungsmittel verwendet werden. Sie enthält gemss Fig. 1 einen Druckregler 2. Dieser hat einen Eingang 4 und einen Ausgang 6 für das Strömungsmittel und einen dazwischen angeordneten Druckraum 8. Ein die Strömung des Strömungsmittel durch den Druckraum 8 bestimmendes Hauptventil 10 dient als Stellglied und ist zwischen dem Eingang 6 und dem zu regelnden Druckraum 8 angeordnet. Das Hauptventil 10 enthält einen durch eine Zylinderbohrung 12 gebildeten Ventilsitz 14, der mit einem, durch eine spiralförmige Druckfeder 16 in Schliessstel-lung gedrängten Ventilkörper 18 zusammenwirkt. Der Ventilkörper 18 sitzt auf einem Kolben 20, der einen in der Zylinderbohrung 12 geführten, erweiterten Kolbenabschnitt 22 aufweist, welcher in der Zylinderbohrung 12 axial verschiebbar ist und den zum Ventilsitz 14 führenden Teil des Einganges 4 von einer Istwertmesskammer 24 trennt. Die Istwertmesskammer 24 ist über eine gestrichelt eingezeichnete Bohrung 27 mit dem zu

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regelnden Druckraum 8 verbunden. Das Hauptventil 10 dient als Stellglied zur Strömungsmitteleinstellung.

Die Istwertmesskamer 24 ist durch eine Membran 26 von einer darüber angeordneten Solldruckkammer 28 getrennt. Die Membran 26 ist mit dem von ihr betätigten Ventilkörper 18 des Hauptventils 10 verbunden, da in der Mitte der Membran 26 ein Stössel 30 befestigt ist, dessen nach unten gerichteter Stös-selkopf 32 am Kolben 20 anliegt, auf welchem der Ventilkörper 18 befestigt ist.

Bei einer Auslenkung der Membran 26 nach unten wird der Kolben 20 durch den Stössel 30 entgegen dem Druck der Feder 16 nach unten bewegt, womit auch der Ventilkörper 18 des Hauptventils 10 von seinem Ventilsitz 14 abgehoben und nach unten bewegt wird. Bei einer Auslenkung der Membran 26 nach oben wird der Stösselkopf 32 vom Kolben 20 abgehoben. Der Stösselkopf 32 bildet einen Ventilkörper mit einer Ringdichtung 34, welcher mit einem Ventilsitz 36 am oberen Ende einer axial durch den Kolben 20 hindurchgeführten Entlüftungsleitung 38 ein Entlüftungsventil 40 bildet. Über das Entlüftungsventil 40 und die Entlüftungsleitung 38 wird die Istwertmesskammer jeweils dann entlüftet, wenn die Membran 26 den Stösselkopf 32 so weit nach oben bewegt, dass der Ventilkörper 18 des Hauptventils 10 am Ventilsitz 14 anliegt und danach der Stösselkopf 32 mit der Ringdichtung 34 vom Ventilsitz 36 des Entlüftungsventils 40 abgehoben wird.

Die Solldruckkammer 28 ist über eine Leitung 42, welche eine Strömungsdrosselstelle 44 enthält, mit der Zylinderbohrung 12 und damit auch mit dem Eingang 4 verbunden. Ausserdem ist die Solldruckkammer 28 über Druckentlastungsventil 46 mit einer Strömungsmittelablassleitung 48 verbunden. Das Druckentlastungsventil 46 weist einen Ventilkörper 50 auf, der von einem Kolben 52 eines elektromagnetischen Sollwerteinstellers 54 entgegen dem in der Solldruckkammer 28 herrschenden Druck gegen einen Ventilsitz 56 gedrückt wird. Die Membran 26 und die mit ihr verbundenen Teile bilden eine Vergleichs Vorrichtung, welche in Abhängigkeit vom Vergleich zwischen dem vom Sollwerteinsteller 54 vorgegebenen Solldruck und dem Istdruck der Istwertmesskammer 24 das Hauptventil 10 betätigt.

Die durch die Bohrung 27 gebildete Leitung zwischen dem zu regelnden Druckraum 8 und der Istwertmesskammer 24 kann eine Strömungsdrossel enthalten.

Der Druckregler spricht sehr schnell auf Wertänderungen an, indem bei einer Änderung des Istwertes oder des Sollwertes sehr schnell eine Angleichung des Istwertes an den Sollwert erfolgt. Durch die mechanische Reibung zwischen dem Kolbenabschnitt 22 und der Zylinderbohrung 12, ferner durch Biegespannungen der Membran 26 und der sie auf beiden Membranseiten versteifenden Membranplatten, und durch die Hysterese des elektromagnetischen Sollwerteinstellers 54 ergeben such jedoch bleibende Regelabweichungen, die bei bestimmten Anwendungsfällen störend sein können. Die Druckregelvorrichtung findet vorzugsweise zur Regelung der pneumatischen Drücke von Gasen bei der pneumatischen Förderung und Zerstäubung von pulverähnlichem Beschichtungsmaterial bei Sprühbeschich-tungsvorrichtungen Anwendung.

Zusätzlich zu der schnellen Ansprechbarkeit werden vorstehende, durch Reibung, Materialspannungen und Hysterese bedingten Regelfehler durch den im folgenden beschriebenen Sollwertumformer vermieden, so dass sich nicht nur eine schnelle, sondern auch fehlerfreie Reglereinstellung ergibt.

Der aus Fig. 2 ersichtliche Sollwertumformer 62 enthält einen Istwertfühler 64, der auf der Mündung 66 einer zu dem zu regelnden Druckraum 8 führenden Strömungsmittelleitung 68 angeordnet ist und damit unmittelbar dem im Druckraum 8 herrschenden Druck ausgesetzt ist. Der Istwertfühler liefert ein dem jeweiligen Druck des Druckraumes 8 entsprechendes elektrisches Istsignal über einen Verstärker 70 an einen Vergleicher 72. Der Vergleicher 72 vergleicht das elektrische Istsignal des Istwertfühlers 64 mit einem ihm vorgegebenen Sollwert 74 und erzeugt ein diesem Vergleich entsprechendes analoges, korrigiertes Sollwertsignal auf seiner Ausgangsleitung 76. Die Ausgangsleitung 76 führt zum elektromagnetischen Sollwerteinsteller 54, welcher somit nicht unmittelbar den Sollwert 74, sondern einen durch die elektrische Rückkopplung über den Istwertfühler 64 korrigierten Sollwert erhält.

Der Istwertfühler 64 weist ein dem Druck des zu regelnden Druckraumes an der Leitungsmündung 66 ausgesetztes piezore-sistives Piezoelement auf, dessen elektrischer Wiederstand in Abhängigkeit sich vom Druck ändert. Das piezoelektrische Element des Istwertfühlers 64 bildet in an sich bekannter Weise einen Teil einer Messbrücke. Da piezoresistive Elemente und die damit zu bildenden Messbrücken zur Erzielung eines elektrischen Ausgangssignales an sich bekannt sind, sind die Einzelteile nicht dargestellt, sondern nur schematisch als Block in Form des Istwertfühlers 64 angegeben. Piezoresistive Piezoelemente ergeben genaue Messsignale und benötigen nur wenig Platz.

Ein an einem elektrischen Verbraucher wie beispielsweise dem elektromagnetischen Sollwerteinsteller 54 anliegendes Analogsignal verbraucht ständig Strom und damit viel Energie. Zur Energieeinsparung wird deshalb vorgeschlagen, die Ausgangsleitung 76 des Vergleichers 72 nicht direkt an den Sollwerteinsteller 54, sondern an einen Impulsbreiten-Modulator 78 anzu-schliessen und dessen Impulssignale über eine Ausgangsleitung 80 dem elektromagnetischen Sollwerteinsteller 54 zuzuführen. Der Impulsbreiten-Modulator 78 erzeugt auf seiner Ausgangsleitung 80 Impulssignale 84 konstanter Frequenz, jedoch mit sich in Abhängigkeit von Änderungen des Analogsignals der Leitung 76 des Vergleichers 72 ändernden Impulsbreiten. Die in Fig. 2 gezeigten Impulssignale 84 bilden eine Signalkette. Die ersten beiden Impulssignale 86 und 88 haben eine kleine Impulsbreite entsprechend einem kleinen Analogsignal des Vergleichers 72. Die folgenden beiden Impulssignale 90 und 92 haben eine grössere Impulsbreite entsprechend einem grösseren Analogsignal des Vergleichers 72 auf seiner Ausgangsleitung 76. Ein weiteres Impulssignal 94 der Impulssignalkette 84 hat eine noch grössere Breite entsprechend einem noch grösseren Analogsignal des Vergleichers 72. Je breiter die Impulssignale sind, desto grösser ist die elektromagnetische Kraft, mit welcher der Kolben 52 des Sollwerteinstellers 54 den Ventilkörper 50 gegen den Ventilsitz 56 des Druckentlastungsventils 46 drückt. Entsprechend kann sich in der Solldruckkammer 28 ein höherer Solldruck aufbauen. Die Verwendung von Impulssignalen anstelle von Analogsignalen für den Sollwerteinsteller 54 ergibt eine wesentliche Energieeinsparung.

Wie die Zeichnungen zeigen, sind der Druckregler 2 und der Sollwertumformer 62 zu einer Baueinheit zusammengefasst. Dabei können der Druckregler 2 und der Sollwertumformer 62 entweder zwei aneinander befestigte Bauteile mit getrennten Gehäusen sein oder es können der Druckregler 2 und der Sollwertumformer 62 zusammen ein gemeinsames Gehäuse haben. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Kurze Leitungsverbindungen, die nicht störanfällig gegen elektrische Streufelder sind. Kürzere Ansprechzeiten und geringeres Überschwingen der Regelvorgänge, also insgesamt ein günstigeres Regelverhalten. Ferner kann die Baueinheit kompakt ausgebildet und mit allen Verbindungen zwischen dem Druckregler und dem Sollwertumformer versehen werden, so dass die Baueinheit nur noch wenige auf der Baustelle anzuschliessende Anschlüsse hat.

Der elektromagnetische Sollwerteinsteller 54 enthält einen elektromagnetischen Proportionalmagneten und hat dadurch eine proportionale Ansprechcharakteristik.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Druckregelvorrichtung für gasförmige und flüssige Strömungsmittel, mit einem Druckregler (2), der einen Eingang (4) und einen Ausgang (6) für das Strömungsmittel, einen dazwischen angeordneten Druckraum (8), dessen Druck geregelt werden soll, ein die Strömung des Strömungsmittels durch den Druckraum (8) bestimmendes Hauptventil (10) als Stellglied, einen elektromagnetischen Sollwerteinsteller (54), eine mit dem zu regelnden Druckraum verbundene Istwertmesskammer (24), und eine Soll-Ist-Vergleichsvorrichtung (26, 30, 58) aufweist, welche in Abhängigkeit vom Vergleich zwischen dem vom Sollwerteinsteller (54) vorgegebenen Solldruck und dem Istdruck der Istwertmesskammer (24) das Hauptventil (10) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwertumformer (62) vorgesehen ist, welcher einen dem Druck im zu regelnden Druckraum (8) ausgesetzten, ein diesem Druck entsprechendes elektrisches Istsignal erzeugenden Istwertfühler (64) und einen Vergleicher (72) aufweist, der das elektrische Istsignal mit einem ihm vorgegebenen Sollwert (74) vergleicht und ein diesem Vergleich entsprechendes korrigiertes Sollwertsignal an den elektromagnetischen Sollwerteinsteller (54) liefert.

2. Druckregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (10) zwischen dem Eingang (4) des Druckreglers (2) und dessen zu regelndem Druckraum (8) angeordnet ist, dass die mit dem Druckraum verbundene Istwertmesskammer (24) durch eine Membran (26) der Vergleichsvorrichtung von einer Solldruckkammer (28) getrennt ist, dass die Membran (26) mit dem von ihr betätigten Ventilkörper (18) des Hauptventils (10) verbunden ist, dass die Solldruckkammer (28) über eine, eine Strömungsdrossel (44) enthaltende Leitung (42) mit dem Eingang (4) verbunden ist und ausserdem über ein vom Sollwerteinsteller (54) betätigtes Druckentlastungsventil (46) mit einer Strömungsmittelablassleitung (48) verbindbar ist, indem auf dem Ventilkörper (50) des Druckentlastungsventils (46) einerseits der vom Sollwerteinsteller (54) erzeugte Solldruck und andererseits der in der Solldruckkammer (28) herrschende Druck einwirken.

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PATENTANSPRÜCHE

3, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der elektrischen Verbindung (76, 80) zwischen dem Vergleicher (72) und dem elektromagnetischen Sollwerteinsteller (54) ein Impulsbreiten-Modulator (78) befindet, welcher die Analogsignale des Vergleichers (72) in Impulssignale umwandelt, welche eine konstante Frequenz, jedoch in Abhängigkeit von Änderungen der Analogsignale sich ändernde Impulsbreiten haben.

5. Druckregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

3. Druckregelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwertfühler (64) ein dem Druck des zu regelnden Druckraumes (8) ausgesetztes piezoresistives Pie-zoelement aufweist, dessen elektrischer Wiederstand sich in Abhängigkeit vom Druck ändert.

4. Druckregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregler (2) und der Sollwertumformer (62) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.