DE102011106328A1

DE102011106328A1 - Stellungsregler

Info

Publication number: DE102011106328A1
Application number: DE102011106328A
Authority: DE
Inventors: Peter Westerfeld
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: WESTERFELD, PETER, DIPL.-ING., DE
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler (1) für einen pneumatischen Stellantrieb (2), der über ein Stellorgan (3) ein Stellglied (7) betätigt. Um bei einfacher Bauart dennoch hohen Genauigkeitsanforderungen zu genügen, wird vorgeschlagen, zur Stellungsregelung ein Drehspulmesswerk (11) bestehend aus einem Polschuh (111) und einem in diesem Polschuh gelagerten Kern (114) sowie einer Drehspule (112) vorzusehen. Der Polschuh (111) ist drehbar gelagert und mit einem Stellhebel (5) verbunden, der mit dem Stellorgan (3) des Stellantriebs (2) ver2) betätigten Stellglieds (7) angibt. Die Drehspule (112) ist innerhalb des Polschuhs (111) um den Kern (114) drehbar gelagert und mit einem Düse-Prallplatte-System (12) verbunden, wobei die Drehbewegung der Drehspule (112) den Abstand der Prallplatte (122) zur Düse (121, 121') drehrichtungsabhängig ändert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler für einen pneumatischen Stellantrieb, der über ein Stellorgan ein Stellglied betätigt.
Derartige pneumatische Stellantriebe sind einschlägig bekannt und beispielsweise in der DE 10 2007 019 045 A1 ausführlich beschrieben. In Abhängigkeit von einem pneumatischen Steuerdruck wird ein mechanisches Stellglied an eine vorgegebene Position verfahren. Als Stellglied sind Ventile, Klappen oder andere den Durchfluss eines Prozessmediums regulierenden Einrichtungen geeignet.
Stellungsregler für pneumatische Stellantriebe sind ausgebildet, ein elektrisches Steuersignal, das den Sollwert für die Position abbildet, in einen adäquaten Steuerdruck umzusetzen. Der Sollwert wird dabei regelmäßig als eingeprägter Strom von 0/4..20 mA über eine Zweidrahtleitung übertragen.
Aus der DE DE 100 16 636 A1 ist bekannt, dass ein solcher Stellungsregler eine Vielzahl komplexer mechanischer Bauteile aufweist, deren Herstellung sehr aufwendig und damit teuer ist.
Bekannte Stellungsregler im Niedrigpreissegment haben Genauigkeitsdefizite, die den praktischen Einsatz in vielen Anwendungsbereichen unmöglich machen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stellungsregler anzugeben, der trotz einfacher Bauart hohen Genauigkeitsanforderungen gerecht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht im Wesentlichen aus einem für sich bekannten Drehspulmesswerk bestehend aus einem Polschuh und einem in diesem Polschuh gelagerten Kern sowie einer Drehspule. Der Polschuh ist drehbar gelagert und mit einem Stellhebel verbunden, der mit dem Stellorgan des Stellantriebs verbunden ist und die Position des vom Stellantrieb betätigten Stellglieds angibt.
Die Drehspule ist innerhalb des Polschuhs um den Kern drehbar gelagert und mit einem für sich bekannten Düse-Prallplatte-System verbunden, wobei die Drehbewegung der Drehspule den Abstand der Prallplatte zur Düse drehrichtungsabhängig ändert.
Die Drehspule ist durch eine Spiralfeder mit dem Polschuh des Drehspulmesswerks verbunden. Die Federkraft der Spiralfeder ist der Anströmung der Prallplatte entgegen gerichtet. Dadurch bewirkt die Spiralfeder eine Nullpunkteinstellung der Prallplatte vor der Düse.
Der als eingeprägter Strom empfangene Sollwert der Position ist auf die Drehspule geschaltet. In Abhängigkeit von der Stromstärke wird die Drehspule gegenüber dem Kern gedreht und verändert den Abstand der Prallplatte zur Düse.
Die wirksame Abstandsänderung der Prallplatte zur Düse ist die Differenz aus dem Sollwert – das ist der eingeprägte Strom – und dem Istwert der Position – das ist die Stellung des Stellorgans am Stellantrieb beziehungsweise Stellglied.
Auf das Drehspulmesswerk wirkt eine äußere Kraft, die aus dem Stellungsistwert des Stellorgans resultiert und am Polschuh angreift, und eine innere Kraft, die als elektrischer Strom zugeführter Sollwert an der Drehspule angreift. Das Drehspulmesswerk befindet sich im Kräftegleichgewicht, wenn die äußere Kraft (Istwert) gleich der inneren Kraft (Sollwert) ist. Dieses Kräftegleichgewicht findet seinen Ausdruck in einer bestimmten Stellung der Prallplatte zur Düse des Düse-Prallplatte-Systems.
In Abhängigkeit von der Regelabweichung – Differenz aus Sollwert und Istwert – wird durch die Drehspule je nach Vorzeichen und Betrag der Abstand der Prallplatte zur Düse des Düse-Prallplatte-Systems verkleinert oder vergrößert. Demgemäß ändert sich der Steuerdruck des pneumatischen Stellantriebes und der Stellantrieb verfährt das Stellorgan in Richtung sinkender Regelabweichung.
Vorteilhafterweise wird durch eine einzige elektromechanische Anordnung einfachen Aufbaus die Differenz zwischen einem elektrischen Signal, dem Sollwert, und einem mechanischen Signal, dem Istwert der Position, gebildet und die Regelabweichung als pneumatisches Signal, in Form eines adäquaten Steuerdrucks, ausgegeben. Auf diese Weise gelingt es, die technische Funktion in der geforderten Genauigkeit mit minimalem technischem Aufwand zu erfüllen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der äußere Polschuh des Drehspulmesswerks zum inneren Kern einen spiralförmigen, winkelabhängigen Luftspalt auf. Aufgrund des winkelabhängigen Luftspalts ist jeder Position des Ventils eine winkelabhängige Feldstärke gegenüber der Drehspule zugeordnet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Drehspule ein Widerstand parallelgeschaltet. Mit diesem Widerstand ist die Spanne des Düse-Prallplatte-Systems einstellbar.
Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine Prinzipdarstellung eines Stellungsreglers 1 mit den erfindungswesentlichen Merkmalen eines Stellantriebs 2, der auf ein Stellorgan 3 wirkt, gezeigt.
Der Stellungsregler 1 ist als Drehspulmesswerk 11 und einem hiermit verbundenen Düse-Prallplatte-System 12 ausgebildet. Das Drehspulmesswerk 11 besteht aus einem drehbar angeordneten Polschuh 111, einem koaxial darin angeordneten Kern 114 und einer Drehspule 112, die zwischen dem Kern 114 und dem Polschuh 111 koaxial drehbeweglich angeordnet ist.
Das Stellorgan 3 ist mit einem Stellglied 7, das hier als Ventil zur Regulierung des Durchflusses eines Prozessmediums durch eine Rohrleitung 4 ausgebildet ist, verbunden. Das Stellglied 7 ist über das Stellorgan 3 mit dem pneumatischen Stellantrieb 2 verbunden, der in einer ersten Ausführungsform der Erfindung als einfachwirkender Stellantrieb 2, bei dem eine Stellrichtung des Stellantriebs 2 beim Belüften pneumatisch getrieben ist und die Gegenstellrichtung beim Entlüften durch die Kraft einer gestrichelt dargestellten Druckfeder 21 getrieben ist.
Das Stellorgan 3 ist über eine Getriebeanordnung 6 gelenkig derart über einen Stellhebel 5 mit dem Polschuh 111 des Drehspulmesswerks 11 verbunden, dass die Stellbewegung des Stellorgans 3 in eine adäquate, konzentrische Drehbewegung des Polschuhs 111 umgesetzt wird. Im Einzelnen ist die Getriebeanordnung 6 durch einen Mitnehmer auf dem Stellorgan 3 gebildet, der in einer schlitzförmigen Aufnahme des Stellhebels 5 geführt ist. Die Hubbewegung des Stellantriebs 2 und damit des Stellorgans 3 wird durch die Getriebeanordnung 6 in eine radiale Schwenkbewegung des Stellhebels 5 und eine Drehbewegung des Polschuhs 111 umgesetzt. Die Drehstellung des Polschuhs 111 im Stellungsregler 1 ist somit ein Maß für den Istwert der Ventilstellung des Ventils 7.
Insbesondere weist der Polschuh 111 einen spiralförmigen, winkelabhängigen Luftspalt 116 zum Kern 114 auf. Aufgrund des winkelabhängigen Luftspalts ist jeder Position des Ventils 7 eine winkelabhängige Feldstärke gegenüber der Drehspule 112 zugeordnet.
Der Stellungsregler 1 weist einen elektrischen Anschluss 16 zum Empfang eines Sollwerts auf. Der Sollwert wird als Strom zugeführt. Die Drehspule 112 des Drehspulmesswerks 11 ist mit dem elektrischen Anschluss 16 zum Empfang des Sollwerts verbunden. Der Stromfluss durch die Drehspule 112 des Drehspulmesswerks 11 bewirkt eine sollwertabhängige Drehbewegung gegenüber dem Polschuh 111.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist der Drehspule 112 des Drehspulmesswerks 11 ein Widerstand 113 parallelgeschaltet. Mit diesem Widerstand 113 wird die Spanne des Düse-Prallplatte-Systems 12 eingestellt.
Die Drehspule 112 des Drehspulmesswerks 11 ist darüber hinaus mit der Prallplatte 122 des Düse-Prallplatte-Systems 12 verbunden. Das Düse-Prallplatte-System 12 weist neben der Prallplatte 122 eine Düse 121 auf, die ausgehend von einem Prozessdruckanschluss 15 über einen Druckminderer 14 bestromt wird. In Abhängigkeit von dem Abstand der Prallplatte 122 von der Düse 121 ändert sich der Steuerdruck in der Düsenleitung, der über einen pneumatischen Verstärker 13 den Stellantrieb 2 belüftet oder entlüftet.
In Abhängigkeit von der Regelabweichung – Differenz aus Sollwert und Istwert – wird durch die Drehspule 112 je nach Vorzeichen und Betrag der Abstand der Prallplatte 122 zur Düse 121 des Düse-Prallplatte-Systems 12 verkleinert oder vergrößert. Demgemäß ändert sich der Steuerdruck des pneumatischen Stellantriebes 2 und der Stellantrieb 2 verfährt das Stellorgan in Richtung sinkender Regelabweichung.
Im Gleichgewichtzustand – bei verschwindender Regelabweichung – ist die magnetische Kraft hervorgerufen durch den Stromfluss durch die Drehspule 112 betragsgleich der winkelabhängigen magnetischen Kraft des Polschuhs 111 bei umgekehrtem Vorzeichen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der pneumatische Stellantrieb 2 als doppeltwirkender Stellantrieb ausgebildet. Dabei werden beide Stellrichtungen pneumatisch getrieben. Der doppeltwirkenden Stellantrieb 2 verzichtet auf die gestrichelt dargestellte Druckfeder 21. Statt dessen werden beide Kammern über individuelle pneumatische Verstärker 13 und 13 belüftet und entlüftet. Das Stellorgan 3 wird entsprechend dem Druckunterschied in den beiden Kammern des Stellantriebs 2 linear bewegt. Gegenüber der ersten Ausführungsform sind die Mittel zum Betrieb der zweiten Kammer des Stellantriebs 2 gestrichelt dargestellt. Im Einzelnen sind ein zweiter pneumatische Verstärker 13', ein zweiter Prozessdruckanschluss 15' und ein zweiter Druckminderer 14' vorgesehen. Darüber hinaus ist das Düse-Prallplatte-System 12 um eine weitere Düse 121' erweitert.
Zur Ansteuerung beider Kammern des Stellantriebs 2 weist das Düse-Prallplatte-Systems 12 zwei einander gegenüberliegende und in entgegengesetzte Richtungen ausströmende Düsen 121 und 121' auf, zwischen denen die Prallplatte 122 angeordnet ist. Jede der Düsen 121 und 121' bildet mit der Prallplatte 122 ein individuelles Düse-Prallplatte-Systems 12. Durch jede Bewegung der Prallplatte 122 wird eine der Düsen 121 oder 121' geöffnet, während die jeweils gegenüberliegende Düse 121' oder 121 in demselben Maße verschlossen wird.
Jede der Düsen 121 und 121' wird ausgehend von jeweils einem Prozessdruckanschluss 15 und 15' über jeweils einen zugeordneten Druckminderer 14 und 14' bestromt. In Abhängigkeit von dem Abstand der Prallplatte 122 von der jeweiligen Düse 121 und 121' ändert sich der Steuerdruck in der zugehörigen Düsenleitung, der dem zugeordneten pneumatischen Verstärker 13 und 13' zugeführt wird. Die verstärkten pneumatischen Signale werden jeweils einer der beiden Kammern des Stellantriebs 2 zugeführt, die wechselweise druckbeaufschlagt werden.
Bezugszeichenliste

1: Stellungsreegler
11: Drehspulmesswerk
111: Polschuh
112: Drehspule
113: Widerstand
114: Kern
115: Spiralfeder
116: Luftspalt
12: Düse-Prallplatte-System
121, 121': Düse
122: Prallplatte
13, 13': pneumatischer Verstärker
14, 14': Druckminderer
15, 15': Prozessdruckanschluss
16: elektrischer Anschluss
2: Stellantrieb
21: Druckfeder
3: Stellorgan
4: Rohrleitung
5: Stellhebel
6: Getriebeanordnung
7: Stellglied, Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007019045 A1 [0002]
DE 10016636 A1 [0004]

Claims

Stellungsregler (1) für einen pneumatischen Stellantrieb (2), der über ein Stellorgan (3) ein Stellglied (7) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehspulmesswerk (11) bestehend aus einem Polschuh (111) und einem in diesem Polschuh (111) gelagerten Kern (114) sowie einer Drehspule (112) vorgesehen sind, wobei – der Polschuh (111) drehbar gelagert und mit einem Stellhebel (5) verbunden ist, der mit dem Stellorgan (3) des Stellantriebs (2) verbunden ist und die Position des vom Stellantrieb (2) betätigten Stellglieds (7) angibt, – die Drehspule (112) innerhalb des Polschuhs (111) um den Kern (114) drehbar gelagert und mit einem Düse-Prallplatte-System (12) verbunden ist, wobei die Drehbewegung der Drehspule (112) den Abstand der Prallplatte (122) zur Düse (121, 121') drehrichtungsabhängig ändert.
Stellungsregler (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehspule (112) durch eine Spiralfeder (115) mit dem Polschuh (111) des Drehspulmesswerks (11) verbunden ist.
Stellungsregler (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Position als eingeprägter Strom auf die Drehspule (112) geschaltet ist
Stellungsregler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Polschuh (111) des Drehspulmesswerks (11) zum inneren Kern (114) einen spiralförmigen, winkelabhängigen Luftspalt (116) aufweist.
Stellungsregler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Drehspule (112) ein Widerstand (113) parallelgeschaltet ist.