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Die
Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Wandler mit einem
pneumatischen Druckregelventil zur Regelung eines Steuerdrucks mittels
einer Reglermembran, die von einem Referenzelement und dem Steuerdruck
im Kräftegleichgewicht gehalten wird.
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Derartige
pneumatische elektropneumatische Wandler sind allgemein bekannt
und werden zur Umsetzung eines elektrischen Signals in ein pneumatisches
Signal verwendet. Dabei wird der Druck der Steuerluft mittels eines
Düse-Prallplattensystem entsprechend einem elektrischen
Signal verändert. Hierzu wird über einen Druckregler
zunächst die Steuerluft auf einen konstanten Druck geregelt. Anschließend
strömt diese Steuerluft durch eine Düse gegen
eine Prallplatte. Mit Verstellen des Abstandes der Prallplatte zur
Düse kann der Durchfluss und somit auch der Steuerdruck
(Staudruck) verändert werden.
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Dazu
benötigte Druckregelventile sind allgemein bekannt und
werden zur Einstellung eines konstanten Regeldrucks unabhängig
von Druckschwankungen eines zugeführten Druckmittels verwendet.
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Aus
der
WO 05088417 A1 ist
ein pneumatisches Druckregelventil bekannt, dessen Durchlass druckabhängig
selbsttätig veränderbar ist, mit einer Stellmembran,
die von einem Referenzdruck, von dem Gasdruck sowie von einer Regelfeder
beaufschlagt ist, wodurch bei Veränderung des Differenzdrucks
die Stellmembran verstellt wird und diese selbst oder ein von ihr
betätigter Schließkörper den Durchlass
durch einen Abströmquerschnitt verändert, und
wobei eine an den Abströmquerschnitt membranseitig angrenzende
Struktur einen Anschlag für die Stellmembran oder für
den Schließkörper in deren Schließstellung
bildet. Dabei ist vorgesehen, dass im Druckregelventil mindestens
ein Voranschlag so angeordnet ist, dass bei Bewegung der Stellmembran
in Schließrichtung die Stellmembran oder der Schließkörper
zuerst in Kontakt mit dem Voranschlag gelangt und dass bei weiterer
Bewegung der Stellmembran in Schließrichtung die Stellmembran
oder der Schließkörper dann unter elastisch-flexibler
Verformung oder unter weiterer elastisch-flexibler Verformung den
Durchlass weiter verkleinert und in einer Endstellung auch in Kontakt
mit dem Anschlag gelangt.
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Aus
der
DE 3305092 C2 ist
ein Druckregelventil für pneumatische und hydraulische
Druckmittel bekannt, das aus einem Gehäuse mit Primäranschluss,
Sekundäranschluss und Entlastungsanschluss, einem im Gehäuse
angeordneten Schaltventil, das aus einem einen Ventilteller tragenden Ventilkolben
und aus seinem gehäusefesten Ventilsitz zwischen Primäranschluss
und Sekundäranschluss besteht. Das Schaltventil öffnet
mit dem Primärdruck. Der Ventilkolben ragt durch den Ventilsitz. Der
Ventilteller des Entlastungsventils ist durch die Kraft eines Regelmagneten
beaufschlagbar. Ein mit einem Steuerkolben versehener Steueranschluss
für die Rückführung einer Regelgröße
vorhanden ist, Der Steuerkolben ist mit dem Ventilteller des Entlastungsventils über
einen Stößel fest verbunden. Der Stößel
erstreckt sich durch den hohlen Ventilkolben des Schaltventils sowie
durch eine Bohrung im Ventilteller des Schaltventils hindurch. Das
vom Schaltventil abgewandte Ende des hohlen Ventilkolbens bildet
einen Ventilsitz für den Ventilteller des Entlastungsventils.
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Aus
der
DE 20 2004
003 860 U1 ist ein pneumatisches Druckregelventil bekannt,
das im Verlauf einer Gasleitung angeordnet ist, deren Durchlass mittels
des Druckregelventils in Abhängigkeit vom Differenzdruck
zwischen einem oder mehreren an mindestens einem Eingang des Druckregelventils anliegenden
Gasdrücken selbsttätig veränderbar ist. Dabei
ist im Druckregelventil eine Stellmembran vorgesehen, die einerseits
von einem Referenzdruck und andererseits von dem Gasdruck oder den
Gasdrücken sowie von einer Regelfeder beaufschlagt ist. Durch
Veränderung des Differenzdrucks zwischen den an die Stellmembran
angrenzenden Bereichen wird die Stellmembran verstellt und die Stellmembran selbst
oder ein von der Stellmembran betätigter Schließkörper
vergrößert oder verkleinert den Durchlass durch
einen Abströmquerschnitt des Druckregelventils. Dabei bildet
eine an den Abströmquerschnitt membranseitig angrenzende
Struktur des Druckregelventils einen Anschlag für die Stellmembran
oder für den von der Stellmembran betätigten Schließkörper
in deren Schließstellung. Im Druckregelventil ist mindestens
ein Vor-Anschlag so angeordnet, dass bei Bewegung der Stellmembran
in Schließrichtung die Stellmembran oder der von der Stellmembran
betätigte Schließkörper zuerst in Kontakt
mit dem Vor-Anschlag gelangt. Bei weiterer Bewegung der Stellmembran
in Schließrichtung wird die Stellmembran oder der von der
Stellmembran betätigte Schließkörper
dann unter weiterer elastisch-flexibler Verformung den Durchlass
weiter verkleinert und in einer Endstellung auch in Kontakt mit
dem Anschlag gelangt.
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Die
elastisch-flexible Verformung des Schließkörpers
zieht langfristig eine bleibende plastische Verformung nach sich.
Diese beeinflusst die Konstanz des Regeldrucks in nachteiliger Weise,
da bereits kleine Veränderungen an der Vorspannung der
Reglerfeder zu unzulässigen Abweichungen des eingestellten
Regeldrucks führen. In besonders nachteiliger Weise bleiben
diese unzulässigen Abweichungen zunächst verborgen
und als Ursache wahrnehmbarer Störungen nachgeordneter
Einrichtungen unerkannt.
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Schließlich
ist aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 006 407 A1 ein
pneumatisches Druckregelventil zur Druckregelung eines Steuerdrucks
in einer Druckkammer mit einer Reglermembran bekannt, die von einer
Reglerfeder und dem Steuerdruck im Kräftegleichgewicht
gehalten wird, wobei die Reglermembran mit einem Steuerventil derart
gekoppelt ist, dass das Steuerventil in Abhängigkeit vom
tatsächlichen Steuerdruck öffnet oder schließt.
Dabei ist das Steuerventil durch eine formstabile Kugel gebildet,
die durch eine Feder belastet in einer sich in Richtung der Reglermembran
verjüngenden konischen Bohrung in einer der Reglermembran
bezüglich der Druckkammer gegenüberliegenden Gehäusewand
sitzt, die Reglermembran im Kontaktbereich mit der Kugel eine Verstärkung
aufweist und die Kugel der Bewegung der Reglermembran in ihrer Normalenrichtung
folgt.
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Die
bekannten elektropneumatischen Wandler, bestehend aus einem Druckregler
und einem separaten, elektrisch angeregten Drucksteuerelement, bringen
nachteiligerweise einen hohen Fertigungsaufwang mit sich und benötigen
viel Einbauraum, der der Miniaturisierung entgegensteht.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kompakten elektropneumatischen Wandler
anzugeben, der einen einfachen Aufbau aufweist, mit geringem Aufwand
zu fertigen ist und wenig Einbauraum beansprucht.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen
Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht von einem pneumatischen Druckregelventil zur Regelung
eines Steuerdrucks in einer Druckkammer mittels einer Reglermembran
aus, die sich auf ein Gegenlager abstützt, wobei das Gegenlager
mindestens eine Druckscheibe, eine Reglerfeder und eine Justierschraube
umfasst, wobei die Reglermembran von der Reglerfeder und dem Steuerdruck
im Kräftegleichgewicht gehalten wird. Die Reglermembran
ist mit einem Steuerventil derart gekoppelt, dass das Steuerventil
in Abhängigkeit vom tatsächlichen Steuerdruck öffnet
oder schließt. Dabei ist das Steuerventil durch eine formstabile
Kugel gebildet, die federbelastet in einer sich in Richtung der
Reglermembran verjüngenden konischen Bohrung in einer der
Reglermembran bezüglich der Druckkammer gegenüberliegenden,
formstabilen Gehäusewand sitzt und die der Bewegung der Reglermembran
in ihrer Normalenrichtung folgt.
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Erfindungsgemäß weist
das Gegenlager einen elektrisch ansteuerbaren Aktuator auf. Dabei
ist insbesondere die Ausbildung der Druckscheibe oder der Reglerfeder
oder die Lagerung der Justierschraube in einem Aktuator vorgesehen.
Der Aktuator weist mindestens ein Piezoelement auf, das mindestens eine
geometrische Dimension in Abhängigkeit von einer angelegten
elektrischen Spannung ändert.
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Der
Sollwert des Regeldrucks wird durch ein adäquates elektrisches
Signal vorgegeben. In Abhängigkeit von der Sollwertvorgabe
nimmt das Gegenlager in Bezug auf das Steuerventil eine Position ein,
die dem gewünschten Steuerdruck in der Druckkammer entspricht.
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Bei
fallendem Steuerdruck in der Druckkammer drückt die Reglerfeder
die Reglermembran gegen die Kugel und schiebt diese aus ihrem Sitz.
Dabei wird das Steuerventil geöffnet und die Zufuhr ungeregelten
Druckmittels freigegeben. Bei Erreichen des vorgegebenen Steuerdrucks
weicht die Reglermembran gegen die Reglerfeder aus. Die Kraft der Feder
drückt die Kugel in ihren Sitz und das Steuerventil wird
geschlossen. Zur Änderung des Steuerdrucks wird die Spannung
am jeweiligen Aktuator des Gegenlagers in Abhängigkeit
von der Sollwertvorgabe eingestellt.
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Vorteilhafterweise
schafft die Erfindung einen kompakten elektropneumatischen Wandler,
der einen einfachen Aufbau aufweist mit geringem Aufwand zu fertigen
ist und durch die Dynamisierung bekannter statischer Elemente wenig
Einbauraum beansprucht.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Drucksensor vorgesehen,
der vom tatsächlichen Steuerdruck beaufschlagt ist und
in Abhängigkeit von dessen gemessenem Steuerdruck das den Aktuator
des Gegenlagers steuernde elektrische Signal beeinflussbar ist.
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Vorteilhafterweise
werden dadurch Ungenauigkeiten der Piezokeramik des Aktuators sowie Temperatureinflüsse
und Hystereseeffekte wirksam eleminiert.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand
eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines elektropneumatischen Wandlers
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2 eine
Prinzipdarstellung der elektrischen Schaltung des elektropneumatischen
Wandlers
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In
der 1 ist ein elektropneumatischen Wandler 10 mit
einem pneumatischen Druckregelventil in geschnittener Darstellung
gezeigt. Das Druckregelventil weist eine Druckkammer 13 auf,
die durch eine Reglermembran 11 und eine dieser gegenüberliegenden
Gehäusewand 24 eingeschlossen ist.
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In
der Gehäusewand 24 ist ein Steuerventil 20 angeordnet,
das durch eine formstabile Kugel 21 gebildet ist, die durch
eine Feder 22 belastet in einer sich in Richtung der Reglermembran 11 verjüngenden
konischen Bohrung 23 sitzt. Der der Feder 22 zugewandten
Seite der Kugel 21 ist das ungeregelte Druckmittel 31 zugeführt.
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Die
Reglermembran 11 stützt sich kraftschlüssig
auf eine Druckscheibe 15 ab, die mit einer rotationssymmetrischen
Reglerfeder 12 verbunden ist. Die Reglerfeder 12 ist
in ihrem Schwerpunkt auf eine Justierschraube 25 abgestützt.
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In
einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Druckscheibe 15 als
axial wirkender Aktuator ausgebildet. in einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung ist die Reglerfeder 12 als Biegeaktuator ausgebildet.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Druckscheibe 15 kraftschlüssig
mit der Reglermembran 11 verbunden ist. In einer dritten
Ausführungsform der Erfindung ist die Justierschraube 25 in einem
axial wirkenden Aktuator gelagert. Dabei ist vorgesehen, dass der
Aktuator mindestens ein Piezoelement aufweist, das dem vorgegebenen
Sollwert des Steuerdrucks 32 entsprechend elektrisch angesteuert
wird.
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Der
Durchmesser der Kugel 21 steht zur Konizität der
Bohrung 23 in einem Verhältnis, dass ein Kugelsegment
der Kugel 21 in Richtung der Reglermembran 11 in
die Druckkammer 13 hineinragt. Dabei liegt die Kugel 21 kraftschlüssig
auf der Reglermembran 11 und wird direkt durch die Reglermembran 11 in
Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer 13 betätigt.
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Die
Reglermembran 11 ist im Bereich des Steuerventils 20 plastisch
verstärkt. In einer ersten Ausführungsform kann
vorgesehen sein, dass die Reglermembran 11 im Bereich des
Steuerventil 20 eine größere Materialstärke
als an ihrem Rand aufweist. In einer alternativen Ausführungsform
ist Reglermembran 11 im Bereich des Steuerventil 20 durch eine
feste Platte verstärkt. In besonderer Ausgestaltung der
Erfindung ist diese Platte durch eine Metallplatte 14 gebildet.
Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für
weiche Reglermembranen 11 zur Regelung geringer Steuerdrücke 32.
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Vorzugsweise
ist die Metallplatte 14 auf der der Druckkammer 13 zugewandten
Seite der Reglermembran 11 angeordnet. Dabei liegt die
Kugel 21 des Steuerventils 20 auf der Metallplatte 14 der
Reglermembran 11 auf. Dadurch werden Beschädigungen
der Reglermembran 11 vermieden und die Konstanz des Steuerdruckes 32 erreicht.
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Bei
fallendem Steuerdruck in der Druckkammer 13 drückt
die Reglerfeder 12 die Reglermembran 11 gegen
die Kugel 21 und schiebt diese aus ihrem Sitz. Dabei wird
das Steuerventil 20 geöffnet und die Zufuhr ungeregelten
Druckmittels 31 freigegeben. Bei Erreichen des Steuerdrucks 32 weicht
die Reglermembran 11 gegen die Reglerfeder 12 aus.
Die Kraft der Feder 22 drückt die Kugel 21 in
ihren Sitz und das Steuerventil 20 wird geschlossen. Mit
der Justierschraube 25 ist der korrekte Steuerdruck 32 voreinstellbar.
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In
der 2 ist die elektrischen Schaltung des elektropneumatischen
Wandlers prinzipiell dargestellt. Der dem elektropneumatischen Wandler 10 elektrisch
zugeleitete Sollwert 43 wird in einem Signalverarbeitungsmittel 41 aufbereitet
und dem jeweiligen Aktuator 12, 15, 25 zugeführt.
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Mit
einem Drucksensor 42 wird der tatsächliche Steuerdruck 32 gemessen.
Der Drucksensor 42 ist mit dem Signalverarbeitungsmittel 41 verbunden. In
Abhängigkeit von dem gemessenen Steuerdruck 32 wird
das den als Aktuator wirkenden Stellgliedern 12, 15, 25 des
Gegenlagers steuernde elektrische Signal mittels des Signalverarbeitungsmittels 41 beeinflusst.
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- 10
- elektropneumatischer
Wandler
- 11
- Reglermembran
- 12
- Reglerfeder
- 13
- Druckkammer
- 14
- Verstärkung
- 15
- Druckscheibe
- 20
- Steuerventil
- 21
- Kugel
- 22
- Feder
- 23
- Bohrung
- 24
- Gehäusewand
- 25
- Justierschraube
- 31
- ungeregeltes
Druckmittel
- 32
- geregelter
Steuerdruck
- 41
- Signalverarbeitungsmittel
- 42
- Drucksensor
- 43
- Sollwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 05088417
A1 [0004]
- - DE 3305092 C2 [0005]
- - DE 202004003860 U1 [0006]
- - DE 102008006407 A1 [0008]