DE102009058225A1

DE102009058225A1 - Pneumatischer Linearantrieb und Feldgerät

Info

Publication number: DE102009058225A1
Application number: DE200910058225
Authority: DE
Inventors: Eugen Nebel
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: DE102009058225B4

Abstract

Bei einem pneumatischen Linearantrieb zum translatorischen Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, eines Feldgeräts, wie eines Stellventils, einer prozesstechnischen Anlage in einer linearen Stellrichtung, umfassend eine pneumatische Arbeitskammer und einen die Arbeitskammer zumindest teilweise begrenzenden Arbeitskolben, dem durch Aufbau eines pneumatischen Drucks in der Arbeitskammer eine Antriebskraft für eine translatorische Bewegung in Stellrichtung mitteilbar ist und der derart an dem Stellglied befestigt ist, dass der Arbeitskolben und das Stellglied gemeinsam in Stellrichtung des Stellglieds verlagert werden, ist vorgesehen ein Zusatzarbeitskolben, der ebenfalls die Arbeitskammer zumindest teilsweise begrenzt und dem durch den Aufbau des pneumatischen Drucks in der Arbeitskammer eine Zusatzantriebskraft für eine translatorische Bewegung in einer der Stellrichtung im wesentlichen diametral entgegen gerichteten Stellgegenrichtung mitgeteilt ist, und ein zwischen dem Arbeitskolben und dem Zusatzarbeitskolben wirkendes Getriebe, das die Zusatzantriebskraft des Zusatzarbeitskolbens auf den Arbeitskolben derart überträgt, dass die Zusatzantriebskraft des Zusatzarbeitskolbens und die Antriebskraft des Arbeitskolbens für die Verlagerung des Stellglieds im Wesentlichen gleichgerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Linearantrieb zum translatorischen Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, eines Feldgeräts, wie eines Stellventils, einer prozesstechnischen Anlage in einer linearen, also geradlinigen Stellrichtung. Beim Stellen kann es sich entweder um eine Öffnungs- oder eine Schließbewegung des Stellglieds handeln. Bei dem Linearantrieb sind die Öffnungs- und Schließrichtung zueinander diametral entgegengesetzt.
In der Prozesstechnik von Industrieanlagen ist es bekannt, pneumatische Linearantriebe einzusetzen, die eine pneumatisch beaufschlagbare Hauptarbeitskammer und eine Nebenarbeitskammer aufweisen, wobei die Hauptarbeitskammer von der Nebenarbeitskammer durch eine Membran getrennt ist. An die Membran ist über einen starren Flanschteller an eine Stellstange angebracht, an deren Ende das Stellglied befestigt. In der Nebenarbeitskammer kann eine Zwangsdruckfeder untergebracht sein, welche die Stellstange und damit das Stellglied stets in eine vorbestimmte Sicherheitsposition zu drängen versucht, insbesondere dann, wenn die pneumatische pneumatikdruckfrei entlüftet ist. Im Betrieb des Linearantriebs arbeitet der in der Arbeitskammer herrschende pneumatische Pneumatikdruck entgegen der Druckkraft der Zwangsfeder auf eine Arbeitsfläche des Arbeitskolbens und lässt den Arbeitskolben geradlinig verschieben. Es zeigte sich, dass derartige Linearantriebe hinsichtlich der hervorrufbaren Antriebs- und Stellkraftbeträge Grenzen gegeben sind, die die Einsatzfähigkeit des Linearantriebs beschränken.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere höhere Antriebsstellkräfte durch einen pneumatischen Linearantrieb als üblich zu erzeugen, ohne das strukturelle und funktionelle, lineare Antriebskonzepts im Wesentlichen abändern zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach ist ein pneumatischer Linearantrieb zum translatorischen Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, eines Feldgeräts, wie eines Stellventils, einer prozesstechnischen Anlage in einer linearen Stellrichtung vorgesehen. Der pneumatische Linearantrieb erzeugt Antriebsstellkräfte aufgrund pneumatischen Drucks, der eine translatorische Verlagerung eines Antriebsbauteils, wie einer Antriebsstange, veranlasst, an dessen Ende ein geradlinig, sich einem Ventilsitz nähernd oder entfernend, hin und her bewegbares Ventilglied angeordnet ist. Der pneumatische Linearantrieb hat eine pneumatische Arbeitskammer und einen die Arbeitskammer zumindest teilweise begrenzenden Arbeitskolben insbesondere mit einer flachen Arbeitsfläche. Dem Arbeitskolben ist durch Aufbau von pneumatischem Druck in der Arbeitskammer eine Antriebsstellkraft für eine translatorische Bewegung in Stellrichtung mitteilbar. Üblicherweise liegt der Arbeitskolben, insbesondere die Stellrichtung lotrecht zur von dem pneumatischen Druck beaufschlagte Arbeitsfläche des Arbeitskolbens. Der Arbeitskolben ist derart an dem Stellglied des Feldgeräts befestigt, dass der Arbeitskolben und das Stellglied gemeinsam in Stellrichtung des Stellglieds verlagert werden. Erfindungsgemäß ist für den pneumatischen Linearantrieb ein Zusatzarbeitskolben insbesondere mit einer flachen Zusatzarbeitsfläche vorgesehen, der ebenfalls die Arbeitskammer, die einseitig von dem Arbeitskolben begrenzt ist, zumindest teilweise begrenzt, vorzugsweise auf der dem Arbeitskolben diametral gegenüberliegenden Seite. Auf dem Zusatzkolben wird durch Aufbau des pneumatischen Drucks in der Arbeitskammer eine Antriebskraft, nämlich eine Zusatzantriebskraft in einer der Stellrichtung des Arbeitskolbens im Wesentlichen diametral entgegengesetzten Stellgegenrichtung mitgeteilt. Bei einem Überdruck in der Arbeitskammer bewegen sich der Arbeitskolben und der Zusatzkolben voneinander weg. Die Arbeitsfläche des Zusatzarbeitskolbens liegt insbesondere parallel zur Arbeitsfläche des Arbeitskolbens und dieser diametral gegenüber und ist vorzugsweise gleich groß ausgebildet, um den Linearantrieb einfach regelbar zu machen. Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße pneumatische Linearantrieb ein zwischen dem Arbeitskolben und dem Zusatzarbeitskolben wirkendes Getriebe, dass die Zusatzantriebskraft des Zusatzarbeitskolbens auf den Arbeitskolben derart überträgt, dass die Zusatzantriebskraft des Zusatzarbeitskolbens und die Antriebskraft des Arbeitskolbens für eine Verlagerung in einer Stellrichtung gleichgerichtet sind.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es ermöglicht, insbesondere die tatsächlich auf das Stellglied wirkende Antriebskraft beim Stellen in Stellrichtung deutlich zu erhöhen, sogar zu verdoppeln, ohne das strukturelle und mechanische, lineare Antriebskonzept im Wesentlichen ändern zu müssen. Dabei wird ohne größeren Aufwand die ohnehin vorliegende pneumatische Druckquelle sowie eine zusätzliche Druckbeaufschlagungsfläche durch den Zusatzarbeitskolben bereitgestellt. Bei den herkömmlichen Linearantrieben ist eine derartige Antriebskrafterhöhung lediglich mit einem hohen konstruktiven Aufwand oder durch den Einsatz eines weiteren separaten Antriebs möglich. Meistens geht eine Steigerung der den Antrieb zur Verfügung gestellten Kraft ebenfalls mit einer Beeinträchtigung der Steifigkeit des Antriebswegs insbesondere in Querrichtung zur translatorischen Stellrichtung einher. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme, den ohnehin in der Arbeitskammer herrschenden Druck an zwei sich entgegengesetzt bewegenden Arbeitskolben wirken zu lassen, kann eine derartige Steifigkeitsbeeinträchtigung des mechanischen Systems des Linearantriebs vermeidet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der pneumatische Linearantrieb ein Gehäuse, innerhalb dessen die Arbeitskammer begrenzt ist und das wenigstens einen Anschluss für die pneumatische Druckbeaufschlagung aufweist. In dem Antriebsgehäuse sind der Arbeitskolben und der Zusatzarbeitskolben translatorisch geführt untergebracht. Das Antriebsgehäuse ist im Wesentlichen rohrförmig ausgeführt. Vorzugsweise hat das Gehäuse eine umlaufende, geschlossene, insbesondere zylindrische Führungsinnenwand, an der die beiden Arbeitskolben in Stellrichtung insbesondere fluiddicht ablaufend geführt sind.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Arbeitskolben an dem Stellglied über eine Stellstange insbesondere lösbar befestigt. Die lösbare Befestigung kann dazu dienen, den maximalen Stellweg des Stellglieds einzustellen, indem der Arbeitskolben die starre Stellstange an mehreren Stellen längs der Stellstange anbringbar ist.
Vorzugsweise ist die Stellstange an dem Arbeitskolben insbesondere lösbar angeflanscht. Die Stellstange kann sich durch das Gehäuse des Linearantriebs hindurch hin zum Feldgerät erstrecken, wobei das Antriebsgehäuse an der Austrittsstelle fluiddicht abgeschlossen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Getriebe als ein Linearbewegungsrichtungswechsler ausgeführt. Vorzugsweise definiert das Getriebe eine zusatzkolbenseitige Getriebestelle zum Umwandeln der durch den pneumatischen Druck veranlassten translatorischen Antriebsbewegung des Zusatzarbeitskolbens in eine rotatorische Antriebsbewegung insbesondere eines Getriebebauteils, wie eines Zahnrads. Des Weiteren definiert das Getriebe eine arbeitskolbenseitige Getriebestelle zum synchronisierten Umwandeln der rotatorischen, umgewandelten Antriebsbewegung des Getriebebauteils in die gewünschte verstärkte translatorische Antriebsbewegung des Arbeitskolbens.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das Getriebe ein Zahnstangengetriebe, das eine an dem Arbeitskolben befestige Zahnstange und eine an dem Zusatzarbeitskolben befestigte Zahnstange umfasst. Die Zahnstangen können strukturell Teil des Arbeitskolbens sein und bewegen sich gemeinsam mit diesem, insbesondere voneinander weg und aufeinander zu, abhängig von dem in der Arbeitskammer herrschenden pneumatischen Druck. Beide Zahnstangen stehen mit dem Getriebebauteil des Linearbewegungsrichtungswechslers, nämlich einem Zahnrad, insbesondere an sich diametral gegenüber liegenden Umfangsstellen in Eingriff. Dabei ist insbesondere vorzusehen, die Verzahnung der beiden Zahnstangen für eine gleiche Übersetzung identisch auszubilden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das Getriebe durch ein Hebelgetriebe gebildet. Das Hebelgetriebe hat einen an den Arbeitskolben befestigten, insbesondere angelenkten Hebel und einen weiteren, an den Zusatzarbeitskolben befestigten, insbesondere angelenkten Hebel. Beide Hebel stehen mit ein- und derselben Welle an deren sich gegenüberliegenden Enden im Eingriff.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das Getriebe eine von beiden Arbeitskolben betriebene Welle auf, die sich aus einem Gehäuse des Linearantriebs heraus erstreckt. Der sich aus dem Gehäuse erstreckende Teil der Welle kann als Schwenkwelle für einen separaten Schwenkantrieb dienen, das zum Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, eines Feldgeräts einer prozesstechnischen Anlage dienen kann.
Vorzugsweise ist der Zusatzarbeitskolben ausschließlich über das Getriebe mit dem Arbeitskolben, insbesondere mit der Stellstange, antriebskraftübertragend gekoppelt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung hat der pneumatische Linearantrieb (außer der Arbeitskammer) jeweils eine zusätzliche Gegenarbeitskammer, insbesondere jeweils genau eine zusätzliche Gegenarbeitskammer, nämlich jeweils dem Arbeitskolben und dem Zusatzarbeitskolben zugewandt. Von der jeweiligen Gegenarbeitskammer wird dem Arbeitskolben und dem Gegenarbeitskolben jeweils eine Gegenantriebskraft mitgeteilt, die der jeweiligen Antriebskraft entgegengerichtet ist. Hierzu ist eine Gegenantriebskraftquelle vorzusehen, die separat von der Antriebskraftquelle für die Hauptarbeitskammer ansteuerbar und/oder regelbar ist.
Vorzugsweise ist die jeweilige Gegenantriebskraft in den Gegenarbeitskammern durch pneumatische Druckbeaufschlagung erzeugt, die insbesondere reziprok der Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer eingestellt sein kann. Beispielsweise bei einer standardisierten 6 bar Druckbeaufschlagung, kann eine Druckverteilung zwischen den Gegenarbeitskammern und der Arbeitskammer reziprok erfolgen, wobei beispielsweise bei einer 3 bar Beaufschlagung ein Druckgleichgewicht herrscht und die Summe der Drücke in den Arbeitskammern stets 6 bar ergibt.
Die jeweilige Gegenantriebskraft kann auch durch eine mechanische Federkraft erzeugt sein, insbesondere durch jeweils eine in den Gegenarbeitskammern angeordnete Druckfeder realisiert sein, die vorzugsweise auf atmosphärischem Druck entlüftet sind.
Die Arbeitskammer und/oder die Gegenarbeitskammer weisen jeweils einen Pneumatikanschluss auf, an dem eine pneumatische Vorsteuereinrichtung, wie ein I/P-Wandler, anschließbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Gegenantriebskraft derart ausgerichtet, dass das Stellglied in eine vorbestimmte Sicherheitsposition gedrängt wird und die Antriebskraft entgegen der Gegenantriebskraft wirkt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Stellungsregler an einem Gehäuse des Linearantriebs, insbesondere an einer Außenseite des Gehäuses benachbart einer Welle des Getriebes, angeordnet. Ein Positionssensor ermittelt die Drehposition der Welle für den Stellungsregler. Ein weiterer Sensor zum Erfassen des Arbeitsdrucks einer Arbeitskammer des Drehantriebs kann vorgesehen sein. Anhand der Sensorsignale kann der Stellungsregler das gewünschte Stellungssignal ausgeben, um den pneumatischen Linearantrieb entsprechend ansteuern zu können.
Die Erfindung betrifft auch ein Feldgerät mit einem erfindungsgemäßen, pneumatischen Linearantrieb, einem Stellungsregler und einem durch den Linearantrieb betätigbarem Stellglied. Das Feldgerät einer prozesstechnischen Anlage kann ein Stellventil ausgeführt sein.
Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem erfindungsgemäßen pneumatischen Linearantrieb in einer ersten Ausführung;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem erfindungsgemäßen pneumatischen Linearantrieb in einer zweiten Ausführung;
3 schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem erfindungsgemäßen pneumatischen Linearantrieb in einer dritten Ausführung; und
4 schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem erfindungsgemäßen pneumatischen Linearantrieb in einer vierten Ausführung;
In 1 ist das erfindungsgemäße Feldgerät im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 versehen. Das Feldgerät 1 einer prozesstechnischen Anlage beispielsweise in der Fabrikautomation und in der Prozesstechnik umfasst ein Stellventil 3, mit dem eine innerhalb einer Leitungsstruktur 5 verlaufende Strömung eines nicht näher dargestellten Prozessfluids geregelt oder eingestellt werden soll.
Das Stellventil 3 hat ein Ventilgehäuse 7, in dem ein ortsfester Ventilsitz 11 ausgebildet ist, mit dem ein Stellglied 13 in dessen geschlossenen Position dichtend zusammenwirkt. In den 1 bis 4 ist das Stellglied 13 bezüglich dem Ventilsitz 11 in einer leicht geöffneten Position dargestellt.
An der Oberseite des Ventilgehäuses 7 ist eine geschlossene Kopplungskonsole 15 befestigt, welche das Ventilgehäuse 7 mit einem Gehäuse 23 des pneumatischen Linearantriebs 17 fest verbindet, wodurch der pneumatische Linearantrieb 17 über die Kupplungskonsole 15 auf dem Stellventil 3 starr gelagert ist.
Innerhalb der seitlich geschlossenen, rohrförmigen Kopplungskonsole 15 befindet sich eine Stellstangenstruktur 21, die sich vollständig durch das die Kopplungskonsole 15 hindurch sowohl in das Ventilgehäuse 7 als auch in das Antriebsgehäuse 23 des pneumatischen Antriebs 17 erstreckt.
Die Stellstangenstruktur 21 besteht aus einem stellgliedseitigen Antriebsstangenabschnitt 25, an dessen ventilseitigen Ende das Stellglied 13 befestigt ist, und einem antriebsseitigen Antriebsstangenabschnitt 27, die in das Antriebsgehäuse 23 ragt. Das Ventilgehäuse 7 umfasst einen Durchgang, durch den sich der Stangenabschnitt 25 hindurch erstreckt, wobei eine Dichtung oder Ventilpackung 31 einen Austritt des Prozessfluid in das Innere der Kupplungskonsole 15 vermeidet. Mit einer Mutter ist die Kopplungskonsole 15 an das Ventilgehäuse 7 geflanscht. Auch das Antriebsgehäuse 23 umfasst einen Durchgang, der mittels einer Dichtung oder Ventilpackung 33 abgedichtet ist, wobei ebenfalls eine Mutter die Anflanschung der Kopplungskonsole 15 an dem Antriebsgehäuse 23 realisiert.
Beide Antriebsstangengehäuseabschnitte 25, 27 sind über einen Stangenverbinder 35 mit Mutter und Kopplungskopf und zwei Klemmschellen 37 befestigt, die durch zwei Schrauben aneinander befestigt sind.
Das linearantriebseitige Ende des Stangenabschnitts 27 ist an einem Arbeitskolben 41 über eine Mutter und eine Gegenmutter 43 befestigt, so dass bei einer Auf- und Ab-Bewegung des Arbeitskolbens 41 in Stellrichtung, welche durch den Pfeil A angedeutet ist, der Arbeitskolben 41 und die Stellstangenstruktur 21 und damit das Stellglied 13 gemeinsam gestellt werden.
Das Antriebsgehäuse 23 hat drei pneumatische Arbeitskammern, nämlich einer Hauptarbeitskammer 45 und zwei Gegenarbeitskammern 47, 51, wobei die Hauptarbeitskammer 45 zwischen den Gegenarbeitskammern 47, 51 liegt. Das Antriebsgehäuse 23 hat zwei pneumatische Anschlüsse 53, 55, über welche die Gegenarbeitskammern 47, 51 bzw. die Hauptarbeitskammer 45 pneumatisch beaufschlagbar sind. Die individuellen Drücke sind durch die Pfeile P₁, P₂ angedeutet.
Der Linearantrieb 17 hat einen Zusatzarbeitskolben 57, der im Wesentlichen punktsymmetrisch (Drehachse S) zum Arbeitskolben 41 angeordnet und geformt ist und ebenfalls nur in Stellrichtung A auf und ab verlagert werden kann. Der Arbeitskolben 41 sowie der Zusatzarbeitskolben 57 sind an einer geschlossenen zylindrischen Innenwand 61 des Antriebsgehäuse 23 fluiddicht geführt, so dass eine translatorische gegensinnige Bewegung der Arbeitskolben 41, 57 in Stellrichtung A gewährleistet ist.
Beide Arbeitskolben 41, 57 haben jeweils eine Druckarbeitsfläche 63, 65, welche zusammen mit einem Teil der Innenwand 61 die Arbeitskammer 45 begrenzen.
Des Weiteren haben die Arbeitskolben 41, 57 jeweils einen Zahnstangenabschnitt 67, 71, die sich von den jeweiligen Arbeitskolben 41, 57 aufeinander zu erstrecken und eine Zahnreihe 73, 75 aufweisen, die sich parallel zur Stellrichtung A erstrecken. Der Zahnstangenabschnitt 67, 71 kann einstückig mit einem Arbeitskolben ausgeführt sein.
Im Wesentlichen in der Mitte der Arbeitskammer 45 ist ein Zahnrad 77 drehbar an dem Antriebsgehäuse 23 gelagert, welches Zahnrad 77 sich um die Schwenkachse S drehen kann. Das Zahnrad 77 hat an seinem Umfang eine Zahnreihe, die mit der Zahnreihe 73, 75 des jeweiligen Zahnreihenabschnitts 67, 71 eingreifend zusammenwirken kann.
Das Zahnrad 77 dient als Linearbewegungsrichtungswechsler und steht gleichzeitig im Zahnstangengetriebe-Eingriff mit dem Zahnstangenabschnitt 67 des Arbeitskolbens 41 und dem Zahnstangenabschnitt 71 des Zusatzarbeitskolbens 57.
Das Zahnrad 77 definiert eine zusatzarbeitskolbenseitige Getriebestelle zum Umwandeln der translatorischen Antriebsgegenbewegung des Zusatzarbeitskolben 57 in eine rotatorische Antriebsbewegung sowie eine arbeitskolbenseitige Getriebestelle zum Umwandeln der rotatorischen Antriebsbewegung in die translatorische Antriebsbewegung des Arbeitskolbens 41.
Im Betrieb des pneumatischen Linearantriebs 17 kann die Arbeitskammer 45 über den pneumatischen Anschluss ein Steuerdruck P₁ mitgeteilt werden, der sich in der Arbeitskammer 45 ausbreitet und auf beide zur Stellrichtung A senkrechte Arbeitsflächen 63, 65 der Arbeitskolben 41, 57 wirkt und Stellkräfte F_A, F_Z an den jeweiligen Arbeitskolben 41 und 57 hervorruft. Gleichzeitig kann ein Gegendruck innerhalb der gegen die Arbeitskammern 57, 51 über den pneumatischen Anschluss 53 und der gemeinsamen Verbindungsleitung 81 zugeführt werden, um Gegenstellkräfte G_A, G_Z an dem jeweiligen Kolben 41, 57 zuzulassen. Die Zuführung des jeweiligen pneumatischen Drucks kann über eine durch einen Stellungsregler betätigten I/P-Wandler eingestellt werden. Sollte der Gegendruck P₂ kleiner als der Druck P₁ sein, – ergo die Stellkräfte F_A, F_Z größer als die Gegenstellkräfte G_A, GZ, bewegen sich die Arbeitskolben 41, 51 gegensinnig voneinander weg, wodurch das Zahnrad 77 im Uhrzeigersinn angetrieben wird, wobei die Gesamtantriebskraft aus der Differenz der Summen entgegengesetzt zueinander wirkenden Antriebskräfte F_A, F_Z und Gegenarbeitskräfte G_A, G_Z an den Arbeitskolben 41, 57 sich ergibt.
Wird der Gegendruck P₂ in den Gegenarbeitskammern 41, 57 erhöht und überschreitet dieser den Druck P₁ in der Arbeitskammer 45, lässt die an den Arbeitskolben 41, 57 resultierenden Kräfte die Arbeitskolben 41, 57 gegensinnig aufeinander zu bewegen, wodurch die Stellstangenstruktur 21 sowie das Ventilglied 13 angehoben und der Ventilsitz 11 geöffnet wird. Auch bei der Öffnungsbewegung des Linearantriebs können aufgrund der Doppelwirkung mit zwei Arbeitskolben wesentlich höhere Kräfte durch den Linearantrieb erreicht werden, als es bei den herkömmlichen pneumatischen Linearantrieben realisierbar ist.
Um eine möglichst einfache Regelung der Auf und Ab-Bewegung des Ventilglieds 13 zu realisieren, sind die Arbeitsflächen 63, 65 und die Gegenarbeitsflächen 83, 85 im Wesentlichen gleich groß.
In 2 ist eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Linearantriebs dargestellt, wobei zur besseren Lesbarkeit der Figurenbeschreibung für identische oder ähnliche Bauteile die gleichen Bezugsziffern wie in 1 verwendet werden, die um 100 erhöht sind. Bezüglich des Aufbaus des Stellventils 3 und der Kopplungskonsole 15 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Der Aufbau des Linearantriebs 17 gemäß 2 unterscheidet sich von dem pneumatischen Linearantrieb 17 gemäß 1 dadurch, dass es kein pneumatisch doppelt-wirkender Linearantrieb ist, sondern lediglich eine einzige wirksame pneumatische Arbeitskammer 145 aufweist, die über den pneumatischen Anschluss 155 pneumatisch beaufschlagbar ist. Der pneumatische Anschluss 155 ist an eine konstante Druckquelle 187 von 6 bar angeschlossen. Zwischen der Druckquelle 187 und dem Anschluss 155 ist ein Magnetventil 189 vorgesehen, welche anhand von nicht dargestellten Regelsignalen den pneumatischen Druck P in der Arbeitskammer 145 einstellt. Die Gegenarbeitskammern 147, 151 sind nicht pneumatisch beaufschlagt, sondern liegen auf Atmosphäredruck atm an.
Das Feldgerät 101 unterscheidet sich, wie oben bereits erwähnt, im Hinblick auf die Konstruktion des Stellventils 3 sowie der Kupplungskonsole 15 nicht von der gemäß 1, allerdings in der Funktionsweise. Bei dem in 2 dargestellten Feldgerät ist ein Stellventil mit automatisch einnehmender Sicherheitsposition dargestellt, in der das Ventilglied 13 den Ventilsitz 11 schließt.
In den Gegenarbeitskammern 147, 151 sind Druckspiralfedern 191 angeordnet, die ständig eine Druckkraft auf die Arbeitskolben 141, 157 ausüben, welche Druckkraft die Arbeitskolben 141, 157 veranlasst, sich aufeinander zu zu bewegen, um das Ventilglied 13 anzuheben und in die geschlossene Sicherheitsposition zu verfahren.
Im Betrieb des Feldgeräts 101 wird je nach gewünschter Position des Ventilglieds 13 die pneumatische Arbeitskammer 145 mit entsprechendem Steuerdruck P beaufschlagt. Übersteigt der in der Arbeitskammer 145 herrschende Steuerdruck P den von den Spiralfedern 191 ausgeübten mechanischen Druck, bewegen sich die Arbeitskolben 141, 157 voneinander weg, wodurch die Stangenstruktur 21 gesenkt wird und das Ventilglied 13 geöffnet wird.
Kommt es zu einer Störung der prozesstechnischen Anlage, wodurch üblicherweise eine Entlüftung der pneumatischen Arbeitskammer 145 einhergeht, bewirken die Spiralfedern 191 ein Verbringen des Ventilglieds 13 in die Sicherheitsposition.
Aufgrund der doppelten Anordnung der Spiralfedern 191 innerhalb zweier Gegenarbeitskammern 147, 151 und aufgrund der Kupplung der Arbeitskolben 141, 157 miteinander über ein Drehgetriebe in Form des Zahnrads 177 wird ein hoher Sicherheitsstandard gewährleistet, das Ventilglied 13 auch dann noch in eine Sicherheitsposition zu fahren, sollten die Reibungskräfte aufgrund von Schädigung des Feldgeräts hoch sein.
In 3 ist eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen pneumatischen Linearantriebs dargestellt, wobei zur besseren Lesbarkeit der Figurenbeschreibung für identische und/oder ähnliche Bestandteile die gleichen Bezugsziffern wie in 1 und 2 verwendet werden, die um 100 bzw. 200 erhöht sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Konstruktion des Stellventils 3 sowie der Kopplungskonsole 15 in dem Aufbau der Ausführungen gemäß 1 und 2 entspricht, weswegen identische Bezugszeichen verwendet sind.
Die allgemeine Funktionsweise des Feldgeräts 201 gemäß 3 entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise des Feldgeräts 101 gemäß 2.
Der pneumatische Linearantrieb 217 unterscheidet sich von dem pneumatischen Linearantrieb 117 gemäß 2 dadurch, dass die Drehachse S des Zahnrads 277, das wie in 3 ersichtlich ist, als Zahnwalze ausgeführt ist, um 90° geschwenkt und somit im Wesentlichen parallel zu den stromaufwärtigen und -abwärtigen Leitungsabschnitten 5 an dem Stellglied 3 liegt. Auch die Anordnung der Arbeitskolben 241, 251 ist um 90° geschwenkt.
Der Innenaufbau des pneumatischen Linearantriebs 217 unterscheidet sich sonst im Wesentlichen nicht von dem der 2.
Wie in 3 ersichtlich ist, ist außerhalb des Gehäuses 223 des pneumatischen Linearantriebs 217 an horizontalen Haltearmen ein Stellungsregler 292 angeordnet, der die Position des Ventilglieds 13 regeln soll. Hierzu kann ein nicht dargestellter Positionssensor dienen, der die Position des Ventilglieds dort direkt oder an der dazwischen geschalteten, wie die Stangenstruktur 21 ermittelt.
Der Stellungsregler 292 ist ebenfalls mit einem Signaleingang 293 versehen, der den pneumatischen Arbeitsdruck P innerhalb der pneumatischen Arbeitskammer 245 erfasst. Durch die Erfassung des pneumatischen Signals in der Arbeitskammer 245 können Diagnoseverfahren durchgeführt werden, dahingehend, ob eine konsistente Zuordnung von Positionssignal und innerhalb der Arbeitskammer 245 herrschenden pneumatischen Druck besteht. Sollte es hier zu Diskrepanzen kommen, ist davon auszugehen, dass ein Schaden an dem Feldgerät 201 insbesondere im Verlauf der Kopplung zwischen dem pneumatischen Stellantrieb 217 und dem Ventilglied 13 vorliegt.
Die Ausführung gemäß 4 enthält die gleichen Bezugsziffern wie in 3, weil die Ausführung gemäß 4 sich im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass an die Zahnwalzenstruktur 277 des pneumatischen Linearantriebs 217 eine Stellschwenkwelle 295 anschließt, die ein weiteres Stellventil 297 betätigt, das in 4 lediglich schematisch angedeutet ist.
Die Versorgung zweier Stellventile 3, 227 mittels eines einzigen pneumatischen Linearantriebs ist erfindungsgemäß insofern möglich, als zwei gegeneinander arbeitende Arbeitskolben 241, 257 innerhalb des Linearantriebs 217 vorgesehen sind, deren lineare Antriebsbewegungen über ein Drehgetriebe gleich gerichtet sind, so dass ausreichend Antriebskraft zur Betätigung sowohl eines Ventilglieds 13 mit Linearbetätigungsrichtung sowie eines Schwenkventils 297 mit einer Schwenkantriebsbewegungsrichtung vorliegt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1, 101, 201: Feldgerät
3: Stellventil
5: Leitungsstruktur
7: Ventilgehäuse
11: Ventilsitz
13: Stellglied
15: Kopplungskonsole
17, 117, 217: pneumatischer Antrieb
21: Stellstangenstruktur
23: Stellglied
25, 27, 127, 227: Antriebsstangenabschnitt
33: Ventilpackung
35: Stangenverbinder
37: Schraubschellen
41, 57, 141, 157: Arbeitskolben
43: Muttern
45, 145, 245: Hauptarbeitskammer
47, 51, 147, 151: Gegenarbeitskammern
53, 55, 155: pneumatische Anschlüsse
61: zylindrische Innenwand
63, 65: Arbeitsflächen
67, 71: Zahnstangenabschnitt
73, 75: Zahnreihe
77, 177, 277: Zahnrad
83, 85: Gegenarbeitsflächen
187: Druckquelle
189: Magnetventil
191, 292: Spiralfedern
192: Stellungsregler
193: Signaleingang
223: Gehäuse
295: Stellschwenkwelle
297: Stellventil
atm: Atmosphäre
b: pneumatischer Druck
A: Stellrichtung
FA, FZ: Stellkräfte
GA, GZ: Gegenstellkräfte
P: Pfeile
P1: Steuerdruck
P2: Gegendruck
S: Drehachse

Claims

Pneumatischer Linearantrieb zum translatorischen Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds (13), eines Feldgeräts, wie eines Stellventils (3), einer prozesstechnischen Anlage in einer linearen Stellrichtung (A), umfassend: eine pneumatische Arbeitskammer (45, 145, 245) und einen die Arbeitskammer (45, 145, 245) zumindest teilweise begrenzenden Arbeitskolben (44, 141, 241), dem durch Aufbau eines pneumatischen Drucks in der Arbeitskammer (45, 145, 245) eine Antriebskraft für eine translatorische Bewegung in Stellrichtung mitteilbar ist und der derart an dem Stellglied befestigt ist, dass der Arbeitskolben (44, 141, 241) und das Stellglied gemeinsam in Stellrichtung (A) des Stellglieds verlagert werden, gekennzeichnet durch einen Zusatzarbeitskolben (57, 157, 257), der ebenfalls die Arbeitskammer (45, 145, 245) zumindest teilsweise begrenzt und dem durch den Aufbau des pneumatischen Drucks in der Arbeitskammer (45, 145, 245) eine Zusatzantriebskraft für eine translatorische Bewegung in einer der Stellrichtung (A) im wesentlichen diametral entgegen gerichteten Stellgegenrichtung mitgeteilt ist, und ein zwischen dem Arbeitskolben (44, 141, 241) und dem Zusatzarbeitskolben (57, 157, 257) wirkendes Getriebe, das die Zusatzantriebskraft des Zusatzarbeitskolbens (57, 157, 257) auf den Arbeitskolben (44, 141, 241) derart überträgt, dass die Zusatzantriebskraft des Zusatzarbeitskolbens (57, 157, 257) und die Antriebskraft des Arbeitskolbens (44, 141, 241) für die Verlagerung des Stellglieds (13) im Wesentlichen gleichgerichtet sind.
Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gehäuse (23, 123, 223) aufweist, in dem der Arbeitskolben (44, 141, 241) und der Zusatzarbeitskolben (57, 157, 257) untergebracht sind und eine Rohrform mit einer insbesondere zylindrischen Führungsinnenwand (61, 161, 261) aufweist, an der beide Arbeitskolben (44, 57, 141, 157, 241, 257) in Stellrichtung (A) insbesondere fluiddicht ablaufend geführt sind.
Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (44, 141, 241) an dem Stellglied (13) über eine Stellstange insbesondere lösbar befestigt ist, die insbesondere an dem Arbeitskolben (44, 141, 241) angeflanscht ist und sich vorzugsweise durch das Gehäuse (23, 123, 223) des Linearantriebs erstreckt.
Linearantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Linearbewegungsrichtungswechsler ist und insbesondere eine zusatzarbeitskolbenseitige Getriebestelle zum Umwandeln der translatorischen Antriebsgegenbewegung des Zusatzarbeitskolbens (57, 157, 257) in eine rotatorische Antriebsbewegung und eine arbeitskolbenseitige Getriebestelle zum Umwandeln der rotatorischen Antriebsbewegung in die translatorische Antriebsbewegung des Arbeitskolbens (44, 141, 241) definiert.
Linearantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Zahnstangengetriebe ist, das eine an den Arbeitskolben (44, 141, 241) befestigte Zahnstange (67, 167, 267) und eine an dem Zusatzarbeitskolben befestigte Zahnstange (71, 171, 271) umfasst, wobei beide Zahnstangen mit einem selben Zahnrad (77, 177, 277) insbesondere an sich diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen in Eingriff stehen.
Linearantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Hebelgetriebe ist, das einen an den Arbeitskolben (44, 141, 241) befestigten Hebel und einen an dem Zusatzarbeitskolben (57, 157, 257) befestigten Hebel umfasst, wobei beide Hebel mit einer Welle (295) an deren sich diametral gegenüberliegenden Enden in Eingriff stehen.
Linearantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine von beiden Arbeitskolben (44, 141, 241) betriebene Welle (295) aufweist, die sich aus einem Gehäuse (223) des Linearantriebs (207) heraus erstreckt, um als Teil eines Schwenkantriebs weiteres Stellglied, wie ein Ventilglied (13), eines Feldgeräts, wie eines Stellventils (297), einer prozesstechnischen Anlage zu betätigen.
Linearantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzarbeitskolben (57, 157, 257) ausschließlich über das Getriebe mit dem Arbeitskolben (44, 141, 241), insbesondere mit der Stellstange, antriebskraftübertragend gekoppelt ist.
Linearantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er außer der Arbeitskammer (45, 145, 245) jeweils eine zusätzliche Gegenarbeitskammer (47, 51, 147, 151, 247, 251) für den Arbeitskolben (44, 141, 241) und für den Zusatzarbeitskolben aufweist, wobei von den jeweiligen Gegenarbeitskammern (47, 51, 147, 151, 247, 251) dem Arbeitskolben (44, 141, 241) und dem Gegenarbeitskolben jeweils eine Gegenantriebskraft mitteilbar ist.
Linearantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Gegenantriebskraft in den Gegenarbeitskammern (47, 51, 147, 151, 247, 251) durch pneumatische Druckbeaufschlagung, die insbesondere reziprok der Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer (45, 145, 245) eingestellt ist, und/oder durch mechanische Federkraft erzeugt ist, insbesondere durch jeweils eine in den Gegenarbeitskammern angeordnete Druckfeder, die vorzugsweise auf atmosphärischen Druck entlüftet sind.
Linearantrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer (45, 145, 245) und/oder die Gegenarbeitskammern jeweils einen Pneumatikanschluss (53, 55, 155, 255) aufweisen, an dem eine pneumatische Vorsteuereinrichtung, wie ein I/P-Wandler anschließbar ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenantriebskraft das Stellglied in eine vorbestimmte Sicherheitsposition drängt.
Linearantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellungsregler (292) an einem Gehäuse (223) des Linearantriebs (217), insbesondere an einer Außenseite des Gehäuses (223), benachbart einer Welle (295) des Getriebes angeordnet ist, wobei ein Positionssensor die Drehposition der Welle für den Stellungsregler ermittelt und/oder ein weiterer Sensor zum Erfassen des Arbeitsdrucks einer Arbeitskammer (45, 145, 245) des Drehantriebs vorgesehen ist.
Feldgerät mit einem nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten pneumatischen Linearantrieb (117, 217, 317), einem Stellungsregler (292) und einem durch den Linearantrieb betätigten Stellglied.