-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Stellungsregler mit elektropneumatischen
Ventilen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie auf ein Prozessautomatisierungsgerät gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 8.
-
Ventilstellungsregler
für pneumatisch
betriebene Ventile haben die Aufgabe, die Position des Ventils durch
Einlassen bzw. Ablassen von Druckluft in eine Druckkammer zu regeln.
Die hohen Kräfte,
die zum Öffnen
und Schließen
des Ventils erforderlich sind, werden durch den Druck in der Druckkammer erzeugt.
Die Vorgabe der Ventilstellung erfolgt über ein elektrisches Signal.
Der Ventilstellungsregler ist daher mit zwei elektrischen Leitungen
mit einer übergeordneten
Automationstechnik verbunden. Über diese
zwei Leitungen erfolgt auch die gesamte elektrische Energieversorgung
des Ventilstellungsreglers. Die zur Verfügung stehende elektrische Leistung
ist bei diesen 2-Draht-Geräten sehr
begrenzt und muss dazu ausreichen, die gesamte Elektronik zu betreiben
sowie die elektropneumatischen Ventile zu betätigen, die die Druckluft in
die Druckkammer einsteuern bzw. ablassen. Um diese Aufgabe erfüllen zu
können,
werden bei den heutigen Geräten
neben einem so genannten Strom-zu-Druck-Wandler (current to pressure-"I/P"-transducer), der
mit einer sehr geringen elektrischen Leistungsaufnahme auskommen
muss, auch pneumatische Verstärker
verwendet. Diese beziehen zusätzliche
Energie aus der Druckluftversorgung, um die elektropneumatischen Ventile,
die den Druck in der Druckkammer regeln, zu betätigen. Hierzu wird beispielsweise
auf die
EP 1 441 266
A2 hingewiesen.
-
Ein
wesentlicher Nachteil des Funktionsprinzips solcher Systeme ist
darin zu sehen, dass pneumatische Verstärker nichtlineare Kennlinien
und lange Totzeiten zeigen, welche die Regelung erschweren und in
manchen Fällen
sogar unmöglich
machen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich seiner
Regeleigenschaften verbesserten Stellungsregler mit elektropneumatischen Ventilen
anzugeben.
-
Des
weiteren soll ein hinsichtlich seiner Energieversorgung optimiertes
Prozessautomatisierungsgerät
angegeben werden.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Stellungsreglers in Verbindung mit
den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Die
Aufgabe wird hinsichtlich des Prozessautomatisierungsgeräts in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 8 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass man zur Ansteuerung des Stellungsreglers und hier insbesondere
der elektropneumatischen Ventile über genügend elektrische Leistung verfügt, so dass
auf die Verwendung pneumatischer Verstärker verzichtet werden kann. Naturgemäß sind Stellungsregler
mit elektropneumatischen Ventilen sowieso mit einer Druckluftversorgung
versehen, aus der man elektrische Energie gewinnen kann, so dass
auf dieser Seite keine Mehrkosten entstehen. Mit dem Verzicht auf
pneumatische Verstärker
sind zwei Vorteile verknüpft:
- • Die
Regelungseigenschaften des Systems werden verbessert, d. h. nachteilige
Nichtlinearitäten und
Totzeiten werden vermieden.
- • Es
werden die Kosten gesenkt.
-
Des
weiteren ist bei Einsatz des Wandlers Druckluftenergie/elektrische
Energie bei einem Prozessautomatisierungsgerät eine optimale Energieversorgung
von Mess-, Re gel- oder Kommunikationselektronik sichergestellt.
Es können
wünschenswerte
Zusatzfunktionen integriert und Kosten eingespart werden.
-
Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen,
-
2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen,
-
3 einen
als Kolbengenerator ausgebildeten Wandler Druckluftenergie/elektrische
Energie,
-
4, 5 zwei
Ausführungsformen
eines Pulsationserzeugers für
den Kolbengenerator nach 3,
-
6, 7 zwei
weitere Ausführungsformen
von als Kolbengeneratoren ausgebildeten Wandlern Druckluftenergie/elektrische
Energie,
-
8 eine
Ausführungsform
eines als Schallgenerator ausgebildeten Wandlers Druckluftenergie/elektrische
Energie,
-
9, 10 zwei
Ausführungsformen
von als thermische Generatoren ausgebildeten Wandlern Druckluftenergie/elektrische
Energie,
-
11 die
Verwendung eines Wandlers Druckluftenergie/elektrische Energie bei
einem Prozessautomatisierungsgerät.
-
In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen dargestellt.
Es ist ein Stellungsregler 1, insbesondere Ventilstellungsreg
ler, zu erkennen, welcher folgende Baukomponenten aufweist:
- • eine
Druckkammer 3, wobei eine separate Druckkammer nicht zwingend
erforderlich ist, sondern ersatzweise das Volumen im nachfolgenden Antrieb
oder die Zuleitungen innerhalb des Stellungsreglers eine entsprechende
Druckkammer nachbilden können,
- • ein
elektropneumatisches Einlassventil 4, an welches eingangsseitig
eine Druckluftversorgung 6 angeschlossen ist und welches
ausgangsseitig die Druckkammer 3 beaufschlagt,
- • ein
elektropneumatisches Ablassventil 5, welches eingangsseitig
an die Druckkammer 3 angeschlossen ist und über welches
gegebenenfalls Druckluft abgelassen wird,
- • eine
Elektronik 2, welche zur Ansteuerung von Einlassventil 4 und
Ablassventil 5 dient und diesen Ventilen gegebenenfalls
Steuersignale zuleitet,
- • optional
einen Drucksensor 7 zur Erfassung des aktuellen pneumatischen
Druckes in der Druckkammer 3, wobei ein entsprechendes
Messsignal an die Elektronik 2 abgegeben wird, wobei ein
solcher Drucksensor innerhalb des Stellungsreglers für seine
normale Regelung nicht erforderlich, jedoch für Diagnosezwecke innerhalb
des Stellungsreglers vorteilhaft ist.
-
Die
Druckkammer 3 beaufschlagt (abhängig vom momentanen Druck in
der Kammer) ein Stellglied 8, insbesondere ein Ventil,
beispielsweise über eine
Schubstange. Ein Stellungssensor 9, insbesondere Ventilstellungssensor,
erfasst die aktuelle Position des Stellgliedes 8 und gibt
ein entsprechendes Messsignal an die Elektronik 2 ab.
-
Ein
Wandler 10 – ein
pneumatisch-elektrischer Generator – dient zur Wandlung von Druckluftenergie
in elektrische Energie, welche der Elektronik 2 zugeführt wird.
Die Druckluftenergie wird beispielsweise aus der Druckluftversorgung 6 bezogen.
-
Die
Elektronik
2 wird von einer übergeordneten Automationstechnik
11 angesteuert,
wobei die Kommunikation zwischen Elektronik
2 und Automationstechnik
11 beim
Ausführungsbeispiel
gemäß
1 per
Funksignal erfolgt. Demgemäß weisen
sowohl die Automationstechnik
11 als auch der Stellungsregler
1 jeweils
ein Funkkommunikationssystem
15 respektive
13 auf
(Funksender, Funkempfänger).
Zur Energieversorgung des Stellungsreglers
1 kann beim
Ausführungsbeispiel
gemäß
1 zusätzlich ein
Magnetfelderzeugungssystem
16 mit Primärwicklung dienen. Korrespondierend
hierzu weist der Stellungsregler
1 einen Wandler
14 zur
Wandlung von empfangener Magnetfeldenergie in elektrische Energie
auf. Auf Details dieser Technologie drahtloser Energieversorgung
wird auf die
DE 199
26 562 A1 hingewiesen, welche eine Anordnung (sowie ein Verfahren)
zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer
Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten
Oszillator gespeisten Primärwicklung
beschreibt, wobei jeder Aktor mindestens eine zur Energieaufnahme
aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung
aufweist.
-
In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen dargestellt.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist
eine Zweidrahtleitung 12 zwischen der übergeordneten Automationstechnik 11 und
dem Stellungsregler 1 respektive dessen Elektronik 2 vorgesehen. Über diese
Zweidrahtleitung 12 wird einerseits die Kommunikation zwischen Automationstechnik 11 und
der Elektronik 2 abgewickelt, andererseits dient diese
Zweidrahtleitung 12 auch zur Energieversorgung des Stellungsreglers 11. Im Übrigen ist
das zweite Ausführungsbeispiel
in gleicher Art und Weise wie das erste Ausführungsbeispiel ausgebildet
(selbstverständlich
entfallen die Baukomponenten 13, 14, 15, 16).
-
Hinsichtlich
der Erzeugung von elektrischer Energie aus Druckluft mittels des
Wandlers 10 sind verschiedene Technologien realisierbar:
- • Es
kann ein piezoelektrischer Antrieb oder ein auf einer Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung
basierender Antrieb verwendet werden (in Verbindung mit einem Kolbengenerator).
Bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von 0,1 g/s kann hiermit
eine Leistung im Bereich 100 mW–2W
realisiert werden.
- • Es
kann ein thermoelektrischer Antrieb verwendet werden, der sich einen
Temperaturgradienten zu Nutze macht, welcher durch die Expansion
der Luft beim Ablassen entsteht. Vorteilhaft tritt bei einer derartigen
Ausführungsform
kein Verschleiß von
Baukomponenten auf, auch ist diese Ausführungsform unempfindlich gegenüber Beschleunigungen
des Energiewandlers. Bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von
0,1 g/s kann hiermit eine Leistung bis zu 7 mW realisiert werden.
- • Es
kann ein von einer Turbine angetriebener Generator verwendet werden.
Hier bei ist der Wirkungsgrad relativ hoch und liegt bei 20%–50%, allerdings
ist der durch bewegte Teile verursachte relativ hohe Verschleiß zu berücksichtigen.
Bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von 0,1 g/s kann eine
Leistung im Bereich 1–3
W realisiert werden.
-
Unabhängig von
der verwendeten Technologie
- • kann die
elektrische Energie entweder kontinuierlich erzeugt werden, wozu
ein kontinuierlicher Massefluss aus der Druckluftversorgung notwendig
ist,
- • kann
die elektrische Energie auch nur temporär beim Ablassen des Drucks
aus der Druckkammer 3 erzeugt werden, was jedoch zusätzlich eine Speicherung
der gewonnenen elektrischen Energie erfordert (mittels Akkumulatoren
und/oder Kondensatoren).
-
Nachfolgend
werden unterschiedliche Konzepte für die Gewinnung elektrischer
Energie aus Druckluft vorgestellt, und zwar unter dem Aspekt kleiner
Druckluftmassenströme ṁ von
etwa 0,1 g/s. Die maximale Leistung Ẇ, die aus einem Druckluftmassenstrom ṁ beispielsweise
durch die Bewegung eines Kolbens gewonnen werden kann, beträgt:
wobei
- Ẇ
- Leistung
- p
- Gesamtdruck der Druckluft
- p0
- Umgebungsdruck
- V .
- Volumenstrom
- ṁ
- Druckluftmassenstrom
- R
- Gaskonstante
- T
- Temperatur
-
Für Raumtemperatur
T und einen Druckluftversorgungsdruck von 6 bar ergibt sich hieraus
(ohne Berücksichtigung
von Verlusten bzw. des Wirkungsgrades) eine maximal erzielbare Leistung
von 7 W bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von 0,1 g/s.
-
In 3 ist
ein als rotationssymmetrischer Kolbengenerator ausgebildeter Wandler
Druckluftenergie/elektrische Energie dargestellt. Der Kolbengenerator 17 weist
einen Zylinder 18 mit einem Gaseinlass 19 auf,
wobei innerhalb des Zylinders 18 in spiegelsymmetrischer
Weise zwei Piezoelemente 20 bzw. 21 angeordnet
sind, welche jeweils über
ihre eine Stirnfläche
an einer Wand des Zylinders 18 befestigt sind und an deren
anderer (gegenüberliegender)
Stirnfläche
jeweils ein Kolben 22 bzw. 23 befestigt ist. An
Stelle der beiden Piezoelemente 20, 21 können auch
Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnungen
eingesetzt werden, wobei beispielsweise die Tauchspulen an der Wand
des Zylinders 18 und die Permanentmagnete an den Kolben 22, 23 befestigt sind.
-
Der
den Gaseinlass 19 beaufschlagende Druckluftmassenstrom ṁ tritt
in den zwischen beiden Kolben 22, 23 gebildeten
Spalt, wodurch die Kolben 22, 23 inklusive der
Piezoelemente 20, 21 periodisch vor und zurück bewegt
werden (siehe Pfeile). Diese Bewegung (periodische Schwingung) wird
piezoelektrisch oder magnetisch in elektrische Energie umgewandelt.
Die Steuerung der Druckluft (Be- und Entlüften) kann bei größeren Kolbenbewegungen
durch den Kolben selbst erfolgen, bei kleinen Kolbenhüben durch
einen zusätzlichen
mechanischen oder elektrischen Pulsationserzeuger (siehe 4 und 5).
-
Bei
Einsatz von Piezoelementen 20, 21 ergeben sich
sehr geringe periodische Kolbenauslenkungen, d. h. es handelt sich
um eine nahezu statische Konfiguration ohne Verschleiß durch
Reibung. Durch die geringe Auslenkung ist das Arbeitsvolumen jedoch
klein gegenüber
dem Grundvolumen, was den Wirkungsgrad verringert (der Wirkungsgrad
wird überwiegend
durch das Verhältnis
zwischen Arbeitsvolumen zu Gesamtvolumen bestimmt). Verringert man
das Grundvolumen beispielsweise durch eine Verringerung des Kolbendurchmessers
und setzt eine mechanische statt einer pneumatischen Druckverstärkung auf
die Piezoelemente ein (mittels eines Hebels oder durch Verwendung
von Piezo-Biegeelementen), so kann der Wirkungsgrad gesteigert werden.
-
Bei
Einsatz von Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnungen ergeben sich
naturgemäß größere periodische
Kolbenauslenkungen, wodurch ein höherer Wirkungsgrad erzielbar
ist.
-
In
den 4 und 5 sind zwei Ausführungsformen
eines Pulsationserzeugers für
den Kolbengenerator nach 3 dargestellt. 4 zeigt
einen mechanischen Pulsationserzeuger 24 mit einem Lufteinlass 25 und
einem Luftauslass 26 mit hierzu vergrößertem Querschnitt. Ein an
einer Kolbenhalterung 29 befestigter Kolben 28 ist
unmittelbar vor dem Luftauslass 26 angeordnet. Am Übergang
des Lufteinlasses 25 zum Luftauslass 26 ist ein
Anschluss 27 vorgesehen, welcher mit dem Gaseinlass 19 des
Kolbengenerators 17 (siehe 3) verbindbar
ist. Die Kolbenhalterung 29 ist mit einer federnden Membran 30 verbunden.
Der Druckluftmassenstrom ṁ tritt durch den Lufteinlass 25 ein
und prallt gegen den Kolben 28, was in Verbindung mit der
federnden Membran 30 zu einem periodischen Schwingen des Kolbens 28 (siehe
Pfeil) vor dem Luftauslass 26 führt. Hierdurch ergibt sich
der für
den Kolbengenerator 17 gewünschte pulsierende Druckluftmassenstrom ṁ.
-
Der
in 5 gezeigte elektrische Pulsationserzeuger 31 unterscheidet
sich vom mechanischen Pulsationserzeuger 24 dadurch, dass
einerseits ein Piezo-Biegelement 32 mit der Kolbenhalterung 29 verbunden
ist und dass andererseits die Membran 30 entfällt.
-
In
den 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsformen
von als Kolbengeneratoren ausgebildeten Wandlern Druckluftenergie/elektrische Energie
dargestellt. Bei beiden Kolbengeneratoren 33 bzw. 39 ist
eine Blende 35 bzw. 41 mit einem Spalt 36 bzw. 42 vorgesehen,
in welchen ein Kolben 34 bzw. 40 eintaucht. Der
Kolben 34 bzw. 40 ist über eine Kolbenhalterung 37 bzw. 43 an
der Blende 35 bzw. 41. befestigt, wobei diese
Kolbenhalterung 37 bzw. 43 sandwichartig mit einem
Piezo-Biegeelement 38 bzw. 44 verbunden ("beschichtet") ist bzw. durch
das Piezo-Biegeelement gebildet wird. Beim Kolbengenerator 33 befinden
sich Kolben 34 und Kolbenhalterung 37 mit Piezo- Biegeelement 38 auf
derjenigen Seite der Blende 35, welche nicht unmittelbar vom
Druckluftmassenstrom ṁ beaufschlagt wird, so dass der Druckluftmassenstrom ṁ beim
Eintritt in den Spalt 36 den Kolben 34 zunächst vom
Spalt 36 wegdrückt.
Beim Kolbengenerator 39 befinden sich Kolben 40 und
Kolbenhalterung 43 mit Piezo-Biegeelement 44 auf derjenigen
Seite der Blende 41, welche unmittelbar vom Druckluftmassenstrom ṁ beaufschlagt
wird, so dass der Druckluftmassenstrom ṁ beim Eintritt
in den Spalt 42 den Kolben 40 zunächst zum
Spalt 42 hindrückt.
-
Bei
beiden Kolbengeneratoren 33 bzw. 39 stellt sich
nachfolgend ein schwingender Zustand mit periodisch schwingendem
Kolben (schwingender Kolbenplatte, siehe Pfeile) 34 bzw. 40 ein,
wobei der Kolben abwechselnd durch den Druck ausgelenkt und durch
einen durch die entstehende Strömung hervorgerufenen
Druckabfall oder/und beispielsweise durch den Bernoulli-Effekt zurückgelenkt
wird. Durch diese periodischen Schwingungen wird im Piezo-Biegeelement 38 bzw. 44 elektrische
Energie erzeugt. Alternativ zum Piezo-Biegeelement kann wiederum
eine Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung eingesetzt werden. Der
Wirkungsgrad bei den Kolbengeneratoren liegt im Bereich 1,5%–30%.
-
In 8 ist
ein als Schallgenerator ausgebildeten Wandler Druckluftenergie/elektrische
Energie dargestellt. Der Schallgenerator weist einen Resonator 45 mit
Lufteinlass 46 und Luftauslass 47 auf. Der Druckluftmassenstrom ṁ wird
durch eine im Resonator 45 befindliche Kante 48 gestört, d. h.
der Luftstrom erzeugt durch Wirbelablösungen an der Kante 48 periodische
Schwingungen, welche im Resonator 45 verstärkt werden.
An den Wänden
des Resonator 45 befinden sich Piezoelemente 49, 50, 51, 52,
welche diese Schwingungen in elektrische Energie umwandeln. Der
Resonator kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein, mit
einem Lufteinlass in der Mitte und einem Luftauslass am Rand. Um
eine unerwünschte
Schallabstrahlung in den Außenraum
zu verhindern, müssen
geeignete Schalldämmmaßnahmen
(an den Außenwänden des
Resonators) vorgesehen werden. Der Wirkungsgrad ist sehr klein (≪ 5%).
-
In
den 9 und 10 sind zwei als thermische
Generatoren ausgebildete Wandler Druckluftenergie/elektrische Energie
dargestellt. Die thermischen Generatoren 53, 62 weisen
einen Lufteinlass 54, eine nachfolgende Querschnittsverengung 56 und
einen Luftauslass 57 mit wiederum erweiterten Querschnitt
auf. Im Lufteinlass 54 bzw. in der Querschnittsverengung 56 sind
ein Wärmetauscher 55 bzw. 58 angeordnet.
Beide Wärmetauscher 55, 58 haben
thermischen Kontakt mit einem Thermoelement 59. Der durch
den Lufteinlass 54 strömende Druckluftmassenstrom ṁ wird
in der Querschnittsverengung 56 beschleunigt (beschleunigte
Gasströmung)
und kühlt
sich dadurch absiehe die Strecke 60 adiabater Beschleunigung
und die Strecke 61 isobarer Temperaturerhöhung. Der
sich zwischen den Wärmetauschern 55, 58 einstellende
Temperaturunterschied wird zur Energiegewinnung mittels des Thermoelements
(Wärmekraftmaschine) 59 genutzt. Der
Wirkungsgrad ist relativ gering (0,1 %).
-
In 11 ist
die Verwendung eines Wandlers Druckluftenergie/elektrische Energie
bei einem Prozessautomatisierungsgerät dargestellt. Dabei ist ein
eine Druckluftversorgung 6 aufweisendes Prozessautomatisierungsgerät 63 (Ventilstellungsregler oder
Strom-Druck-Wandler
oder pneumatischer Aktor oder dezentrale Anlagensteuerung oder Werkzeugkopf
für einen
Roboter) zu erkennen, wobei der Wandler 10 eine Wandlung
von Druckluft in elektrische Energie durchführt. Diese elektrische Energie dient
zur Speisung der Elektronik 2 inklusive des Funkkommunikationssystems 13.
Die Kommunikation zwischen der übergeordneten
Automationstechnik 11 mit Funkkommunikationssystem 15 und
dem Prozessautomatisierungsgerät 63 findet
wiederum vorzugsweise per Funk statt.
-
Die
unter den 3–10 für die spezielle Verwendung
bei einem Stellungsregler erläuterten Wandler,
welche einen strömenden
Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische Energie wandeln,
können allgemein
bei allen eine Druckluftversorgung aufweisenden Prozessautomatisierungsgeräten eingesetzt werden.
Dabei sind drei unterschiedliche Geräte-Typen zu unterscheiden:
- 1) Viele pneumatische Prozessautomatisierungsgeräte werden
mit einem elektrischen Steuersignal betrieben, welches gleichzeitig
zur elektrischen Energieversorgung dient, aber nur eine relativ
geringe elektrische Leistung liefern kann, wie Positioner für Ventile,
Stellungsgeber für
pneumatische Versteller/Druckluftkolben, Strom-Druck-Wandler (I/P-Wandler).
Mit dieser Leistung muss die Steuerelektronik als auch die elektrische
Ansteuerung versorgt werden. Daher werden die Aktuatoren aufgrund
der geringen zur Verfügung
stehenden elektrischen Leistung üblicherweise
mit einer sehr energiesparenden Ansteuerung betrieben und häufig über eine
oder mehrere pneumatische Verstärkerstufen
angesteuert, da die elektrische Leistung für eine direkte Ansteuerung
nicht ausreicht. Durch Einsatz eines Wandlers, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in
elektrische Energie wandelt (siehe die vorstehend erläuterten
Ausführungsformen),
kann infolge der gewonnenen zusätzlichen elektrischen
Energie die Ansteuerung direkter erfolgen, wodurch die Steuerungseigenschaften dieser
Ansteuerung optimiert und/oder die pneumatische Ansteuerung durch
eine günstigere elektrische
Ansteuerung ersetzt werden kann. Ferner kann infolge der gewonnenen
zusätzlichen elektrischen
Energie der zusätzliche
Energiebedarf (Eigenbedarf) abgedeckt werden, der durch zusätzliche „Intelligenz" entsteht, wie zusätzliche Rechenleistung
in der Steuerelektronik, beispielsweise für Diagnosefunktionen oder die
Optimierung der Steuerung. Ganz allgemein kann durch zusätzliche
elektrische Energie die Rechenleistung der betrachteten Prozessautomatisierungsgeräte erhöht werden,
wodurch weitere wünschenswerte
Zusatzfunktionen integriert werden können.
- 2) Bei rein druckluftbetriebenen Prozessautomatisierungsgeräten, beispielsweise
Druckregler, Druckumsetzer und auch bei pneumatischen Werkzeugen
(wie Tacker, Schleifgeräte,
Sprühpistolen)
ist es nach Einsatz eines Wandlers, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische
Energie wandelt, zusätzlich
möglich, Zusatzfunktionen
mit elektrischem Energieverbrauch, wie Diagnose, elektrische Rückmeldung des
Ist-Zustandes zu realisieren. Es ist vorteilhaft hierzu nicht erforderlich,
elektrische Anschlüsse zur
Verfügung
zu stellen und zu installieren, sondern das Gerät versorgt sich selbst mittels
des Wandlers. Hierdurch reduziert sich der Installationsaufwand.
Desgleichen ist es möglich,
aufgrund der vom Wandler gewonnenen elektrischen Energie pneumatische
Komponenten des Gerätes
durch elektrische Komponenten zu ersetzen, was Kosten einspart und/oder
die Eigenschaften des Gerätes
optimiert.
- 3) Bisher elektrisch angesteuerte Prozessautomatisierungsgeräte, welche
z. B. über
einen Zweileiter-Anschluss oder ein Bussystem mit der Anlagensteuerung verbunden
sind, können
nach Einsatz eines Wandlers, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in
elektrische Energie wandelt, über
Funksignale angesteuert werden, da nunmehr die elektrische Energieversorgung der
Mess-, Regel- oder Kommunikationselektronik über den Wandler erfolgt und
elektrische Anschlussleitungen hierfür nicht mehr erforderlich sind.
Dies vereinfacht die Installation der Geräte und reduziert die Installationskosten.
-
Insbesondere
können
außer
dem eingangs erläuterten
Stellungsregler (Positioner für
Ventile, Stellungsgeber, welcher pneumatische Versteller/Druckluftkolben
regelt) folgende Prozessautomatisierungsgeräte mit einem Wandler ausgerüstet werden,
welcher einen strömenden
Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische Energie wandelt:
- • Strom-Druck-Wandler
(I/P-Wandler), welcher aus einer Versorgungsdruckluft einen Druck
erzeugt, der zu einem elektrischen Steuersignal proportional ist.
- • Dezentrale
Anlagensteuerung, für
welche ohne Einsatz des vorgeschlagenen Wandlers explizit eine elektrische
Energieversorgung installiert werden muss.
- • Werkzeugkopf
für einen
Roboter, indem die zur Steuerung/Kommunikation erforderliche Energie im
Werkzeugkopf aus pneumatischer Energie mittels des Wandlers erzeugt
wird.
-
- ṁ
- Druckluftmassenstrom
- Ẇ
- Leistung
- R
- Gaskonstante
- p
- Gesamtdruck
der Druckluft
- p0
- Umgebungsdruck
- V .
- Volumenstrom
- T
- Temperatur
- 1
- Stellungsregler,
insbesondere Ventilstellungsregler
- 2
- Elektronik
- 3
- Druckkammer
- 4
- elektropneumatisches
Einlassventil
- 5
- elektropneumatisches
Ablassventil
- 6
- Druckluftversorgung
- 7
- Drucksensor
- 8
- Stellglied,
insbesondere Ventil
- 9
- Stellungssensor,
insbesondere Ventilstellungssensor
- 10
- Wandler
Druckluft/elektrische Energie
- 11
- Automationstechnik
- 12
- Zweidrahtleitung
- 13
- Funkkommunikationssystem
- 14
- Wandler
Magnetfeldenergie/elektrische Energie
- 15
- Funkkommunikationssystem
- 16
- Magnetfelderzeugungssystem
mit Primärwicklung
- 17
- Kolbengenerator
- 18
- Zylinder
- 19
- Gaseinlass
- 20
- Piezoelement
- 21
- Piezoelement
- 22
- Kolben
- 23
- Kolben
- 24
- mechanischer
Pulsationserzeuger
- 25
- Lufteinlass
- 26
- Luftauslass
- 27
- Anschluss
zum Kolbengenerator
- 28
- Kolben
- 29
- Kolbenhalterung
- 30
- Membran
- 31
- elektrischer
Pulsationserzeuger
- 32
- Piezo-Biegeelement
- 33
- Kolbengenerator
- 34
- Kolben
- 35
- Blende
- 36
- Spalt
- 37
- Kolbenhalterung
- 38
- Piezo-Biegeelement
- 39
- Kolbengenerator
- 40
- Kolben
- 41
- Blende
- 42
- Spalt
- 43
- Kolbenhalterung
- 44
- Piezo-Biegeelement
- 45
- Schallgenerator
mit Resonator
- 46
- Lufteinlass
- 47
- Luftauslass
- 48
- Kante
- 49
- Piezoelement
- 50
- Piezoelement
- 51
- Piezoelement
- 52
- Piezoelement
- 53
- thermischer
Generator
- 54
- Lufteinlass
- 55
- Wärmetauscher
- 56
- Querschnittsverengung
- 57
- Luftauslass
- 58
- Wärmetauscher
- 59
- Thermoelement
- 60
- Strecke
adiabater Beschleunigung
- 61
- Strecke
isobarer Temperaturerhöhung
- 62
- thermischer
Generator
- 63
- Prozessautomationsgerät (Ventilstellungsregler,
Strom-Druck-Wandler,
-
- pneumatische
Aktor, dezentrale Anlagensteuerung, Werkzeugkopf für ei
-
- nen
Roboter)