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Einrichtung zur Aussteuerung eines Druckes, insbesondere bei pneumatischen
Reglern Die Erfindung betrifft eine pneumatische Einrichtung zur Aussteuerung eines
Druckes, insbesondere bei pneumatischen Reglern, in Form einer kraftkompensierten
Hebelwaage, deren Waagebalken einen Strömungswiderstand verändert und damit einen
Druck aussteuert und bei der am Waagebalken vorzugsweise mehrere pneumatisch wirkende,
ein Drehmoment verursachende Kraftgeber sowie weitere Kraftgeber, die direkt oder
indirekt durch den vom Waagebalken ausgesteuerten Druck beaufschlagt werden, zur
Erzeugung eines den Waagebalkenausschlag kompensierenden Gegendrehmomentes sowie
Mittel zur kontinuierlichen Veränderung der am Waagebalken wirksamen Hebelarme einzelner,
beweglich gelagerter Kraftgeber vorgesehen sind.
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Die Einrichtung soll beispielsweise der Verhältnisregelung, etwa bei
der Mischung von Brennstoff und Frischluft, dienen. Außerdem ist an die Verwendung
für andere, vorwiegend regeltechnische Aufgaben, wie für die Wirkdruckmessung als
Wirkdrucktransmitter od. ä., gedacht.
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Für die Verhältnisregelung lassen sich die bekannten Verhältnisschieber
verwenden, bei denen zwei Meßwertkräfte mit Hilfe einer veränderlichen Hebelübersetzung
ins Gleichgewicht gebracht werden. Solche Verhältnisschieber haben den Nachteil,
daß die zu ihrer Verstellung erforderlichen Kräfte von der Belastung abhängig sind.
Dadurch wird die Verwendung zur selbsttätigen Regelung von Mischungsverhältnissen
oder dergleichen erschwert. Veränderliche Hebelübersetzungen sind ferner bei Meßgeräten
bekannt und werden dort im allgemeinen durch spezielle Ausbildungen von Waagebalken
verwirklicht. So ist es beispielsweise bekannt, Kräfte an einem zweiten Waagebalken
angreifen zu lassen, der an dem ersten befestigt und um eine vertikale Achse drehbar
ist. Eine solche Einrichtung ist mit großen Reibungs- und Zwangskräften behaftet
und läßt sich nicht als kraftkompensierte Waage gebrauchen. Bei anderen Meßgeräten
wird eine Änderung des übersetzungsverhältnisses dadurch erreicht, daß der Drehpunkt
des Waagebalkens verändert wird. Das bedeutet aber, daß bei einer solchen Änderung
die Momente sämtlicher am Waagebalken angreifender Kräfte geändert werden, während
es bei Regelaufgaben notwendig sein kann, einige Drehmomente am Waagebalken konstant
zu halten. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen,
bei der diese Mängel vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung geschieht das dadurch, daß die beweglich gelagerten
Kraftgeber jeweils um den Angriffspunkt am Waagebalken schwenkbar sind. Auf diese
Weise wird erreicht, daß die Änderung des Drehmomentes lediglich eine Funktion des
Winkels ist, unter dem die Kraftgeber am Waagebalken angreifen. Die Kraftgeber können
dazu in richtkraftfreien Drehgelenken gelagert sein, insbesondere können für diese
Lagerung Spannbänder Verwendung finden.
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Bei der Anwendung auf die Verhältnisregelung kann man die Kraftangriffsrichtung
durch zusätzliche pneumatische Stellglieder steuern, die zur Vermeidung von Zwangskräften
zweckmäßigerweise an Spannbändern angreifen, die im oder am Kraftgeber befestigt
sind.
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Für die Verwendung der Einrichtung als pneumatischer Transmitter ist
die Steuerung der Kraftangriffsrichtung nicht erforderlich. Für diesen Fall ist
eine Schraubspindel vorgesehen, mit der die Kraftangriffsrichtung beliebig, aber
fest eingestellt werden kann. Durch diese Einstellung ist das Verhältnis der Größen
von Eingangs- und Ausgangsdruckbereich zueinander verstellbar. Weitere Ausbildungsmerkmale
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die schematischen Zeichnungen sollen das Wesen der Erfindung veranschaulichen.
In Fig. 1 ist eine kraftkompensierte Hebelwaage dargestellt. 1 bezeichnet den bei
2 drehbar gelagerten Waagebalken, 3 und 4 sind Kraftgeber mit fester, 5 ein solcher
mit veränderbarer Kraftangriffsrichtung, der Krafterzeugung dienen die Bälge 6 bis
B. Der Kraftgeber 5 besteht aus einem Rahmen 10, der um eine Achse schwenkbar
ist, die senkrecht zur Zeichenebene diese bei 9 durchstößt. Die drehbare Lagerung
des Rahmens 10 erfolgt mittels in der Abbildung nicht dargestellter Spannbänder.
Auf dem Rahmen 10 sitzt der Balg 8, welcher gegen den Bügel 11 drückt, wodurch
dieser mittels des an
ihm bei 13 befestigten Zugbandes 12 eine Zugkraft
ausübt. Das Zugband ist mit seinem anderen Ende am Angriffspunkt 9 des Waagebalkens
befestigt und überträgt auf diesen die vom Balg 8 erzeugte Kraft. Am Rahmen 10 ist
ein Federband 14 eingespannt, welches mit dem beweglichen Teil des Stellgliedes
15 gekuppelt ist. Das Stellglied 15 erzeugt eine Steilkraft mit dem Balg 16, die
durch die Leitung 17 mittels Druckluft steuerbar ist, welche gegen die den Balg
zusammenziehende Feder 24 arbeitet. Durch 18 ist eine Luftausströmdüse bezeichnet,
die durch den als Prallplatte wirkenden Waagebalken 1 nach Maßgabe seines Ausschlages
gesteuert und über eine Drossel 19 mit Druckluft gespeist wird. Der durch diese
Vorrichtung ausgesteuerte Druck wird zwischen Ausströmdüse 18 und Drossel 19 abgenommen
und über die Leitung 20, den pneumatischen Verstärker 21 und die Leitung 22 dem
Kraftgeber 5 zugeführt, der ein Gegendrehmoment erzeugt und dadurch das Gleichgewicht
der Waage herstellt. Von der Leitung 22 zweigt die Leitung 23 ab, die der Abnahme
des ausgesteuerten Druckes zum Zwecke der Anzeige oder der Betätigung von Stellgliedern
dient. Wird nun der über die Leitung 17 zugeführte Druck verändert, so ändert sich
der Stehweg des Stellgliedes 15, wodurch der Rahmen 10 geschwenkt wird. Dadurch
dreht sich im Angriffspunkt 9 die durch die Linie 25 angedeutete Kraftangriffsrichtung
und verändert den wirksamen Hebelarm, der durch 26 dargestellt ist. Die Waage kommt
dadurch aus dem Gleichgewicht, und der Ausschlag wird durch den aus Luftausströmdüse
18 und Drossel 19 bestehenden pneumatischen Tastfühler gemessen, der über den Verstärker
21 den dem Balg 8 zugeführten Druck und dadurch das von ihm erzeugte Drehmoment
so verändert, daß der Waagebalkenausschlag kompensiert wird. Dabei bleiben die beiden
von den Kraftgebern 3 und 4 erzeugten Momente unverändert.
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In Fig. 2 ist ein Anwendungsbeispiel der kraftkompensierten Hebelwaage
in einer Regelanlage vereinfacht und schematisch beschrieben. Die Zeichen 1 bis
26 sind die gleichen wie in Fig. 1. Der Verstärker 21 und der pneumatische Tastfühler
18, 19 sind in vereinfachter, symbolischer Form dargestellt durch 21 und 18. Die
zugrunde liegende Regelaufgabe bestehe darin, bei einer Ofenfeuerung Luft und Heizgas
so züi mischen, daß der Heizwert des Gases Berücksichtigung findet. Durch die Rohrleitung
27 wird dem Feuerraum 29 Luft, durch die Rohrleitung 28 Heizgas zugeführt. Die Durchflußmenge
der Luft wird bei 30 gemessen und der Meßwert über einen Wirkdrucktransmitter 31
dem Kraftgeber 5 als Druck zugeführt. Ebenso wird die Durchflußmenge des Heizgases
bei 32 gemessen und mit dem Wirkdrucktransmitter 33 in einen Druck umgesetzt, der
dem Kraftgeber 3 zugeführt wird. Bei 34 wird durch ein zweckentsprechendes Meßgerät
der Gehalt der Rauchgase an Kohlenmonoxyd gemessen und der Meßwert dem Drucktransmitter
35 zugeführt. Der von dem letzteren erzeugte Druck wird über den Regler 36 dem Stellglied
15 zugeführt. Durch den pneumatischen Tastfühler 18 wird nach Maßgabe des Waagebalkenausschlages
ein Druck ausgesteuert, der nach der Verstärkung durch den Verstärker 21 den Ventilschieber
37 und damit die Luftzufuhr zum Feuerraum 29 steuert. Der Kraftgeber 4 habe die
Funktion einer irgendwie gearteten, vorzugsweise pneumatischen Rückführung, durch
die das Zeitverhalten der Regelanlage bestimmt ist. Schließlich sei am Waagebalken
ein zusätzlicher Kraftgeber 38 als Sollwertgeber zur Festlegung des Nullpunktes
vorgesehen. Die Wirkungsweise ist folgende: Es sei zunächst vorausgesetzt, daß der
Heizwert des Gases konstant ist. Nimmt die Gaszufuhr zu, so nimmt der bei 32 gemessene
Wirkdruck zu und damit auch die vom Kraftgeber 3 erzeugte Kraft, so daß das Gleichgewicht
an der Waage gestört ist. Der vom Tastfühler 18 ausgesteuerte und durch 21 verstärkte
Druck sinkt, und als Folge davon öffnet der Ventilschieber 37, wodurch die Luftzufuhr
zum Feuerraum 29 zunimmt. Dementsprechend wird der Kraftgebers vorn Wirkdrucktransmitter31
mit einem entsprechend höheren Druck versorgt und vergrößert die Kraft, mit der
er auf den Waagebalken wirkt, so lange, bis sich das Gleichgewicht neu eingespielt
hat. Die Regelanlage bewirkt also, daß das Verhältnis von Luftmenge zu Heizgasmenge
konstant bleibt.
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Ist nun der Heizwert des Gases nicht konstant, sondern mit der Zeit
veränderlich, so ist es wünschenswert, daß das Verhältnis von Luft zu Heizgas geregelt
werden kann, um nicht unnötig viel Luft zu erwärmen oder um das Heizgas restlos
zu verbrennen. Das optimale Mischungsverhältnis wird durch den Gehalt an Kohlenmonoxyd
im Rauchgasstrom bestimmt. Steigt der Gehalt an Kohlenmonoxyd, was einen Mangel
an Verbrennungsluft gegenüber dem Heizgas bedeutet, so wird dieser erhöhte Gehalt
durch das Meßgerät 34 gemessen und im Drucktransmitter 35 in einem Druck umgeformt,
der über einen Regler 36 das Stellglied 15 steuert. Dieses verändert in der eingangs
beschriebenen Weise die Kraftangriffsrichtung des beweglich gelagerten Kraftgebers
und damit das durch diesen erzeugte Drehmoment, wodurch wiederum das Gleichgewicht
der Waage gestört ist. Durch den Tastfühler 18 wird ein geringerer Druck ausgesteuert,
so daß der Ventilschieber 37 öffnet und die Luftzufuhr vermehrt wird, bis sich durch
die Rückwirkung über den Wirkdrucktransmitter 31 und den Kraftgeber 5 ein neues
Gleichgewicht am Waagebalken und damit ein neues Mischungsverhältnis von Luft und
Gas eingespielt hat. Man sieht an diesem letzten Beispiel, daß die den übrigen,
vom Regler für den Kohlenmonoxyd-Gehalt nicht becinflußten Regelgrößen zugeordneten
Drehmomente unverändert bleiben, so z. B. das durch den Kraftgeber 3 erzeugte Drehmoment,
welches die Durchflußmenge des Heizgases repräsentiert, weil der Drehpunkt der Waage
und damit die Hebelarme dieser Drehmomente sich nicht ändern. Insbesondere bleibt
das von dem Kraftgeber 4 erzeugte Drehmoment konstant, und das bedeutet, daß sich
das Zeitverhalten der Verhältnisregelung nicht ändert. Andererseits können natürlich
beideRegelvorgänge-nach der Gasmenge und nach dem CO-Gehalt - gleichzeitig stattfinden.
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Die Fig. 3 zeigt schematisch die Anwendung der kraftkompensierten
Hebelwaage als Transmitter für Druck, Fig.4 für Differenzdruck. Die Bezeichnungen
1 bis 23 sind dieselben wie in den Fig. 1 und 2. Der Verstärker 21 und der pneumatische
Tastfühler 18, 19 sind auch hier wieder in vereinfachter, symbolischer Form dargestellt
durch 21 und 18. Das Stellglied 15 ist ersetzt durch die Schraubspindel 41, mit
der das Übersetzungsverhältnis an der Waage fest einstellbar ist. In Fig. 3 ist
nur ein Kraftgeber 3 vorgesehen, der von dem zu messenden Druck beaufschlagt wird.
Durch den pneumatischen Tastfühler 18 und den Verstärker 21 wird ein Druck ausgesteuert.
der
mittels des Kraftgebers 5 das kompensierende Drehmoment erzeugt. Durch die Leitung
23 kann der der Kompensation dienende ausgesteuerte Druck für Stell- oder Anzeigezwecke
fortgeleitet werden. Fig. 4 stellt im wesentlichen die gleiche Anordnung dar mit
dem Unterschied, daß zwei feste Kraftgeber 3 und 4 vorgesehen sind, so daß die Differenz
zweier Drucke in einen proportionalen Druck umgeformt wird. Als Beispiel ist die
Wirkdruckmessung bei der Bestimmung eines Durchflusses gewählt. Die zu messende
Menge eines Arbeitsmittels strömt durch ein Rohr 42, welches durch eine Meßblende
43 in seinem Querschnitt verengt ist. Vor und hinter der Meßblende wird der Druck
entnommen und über die Leitungen 44, 45 den Kraftgebern 3 und 4 zugeleitet. Der
über die Leitung 23 abgeleitete Druck ist daher - wie man unter Berücksichtigung
der oben beschriebenen Wirkungsweise erkennt - ein Maß für den Druchfluß durch das
Rohr 42. Mit der Schraubspindel 41 lassen sich bei den Anordnungen der Fig. 3 und
4 Eingangs-und Ausgangsdruckbereich aufeinander abstimmen.
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Es ist selbstverständlich für das Wesen der Erfindung unerheblich,
ob der Kompensationskraftgeber von dem durch den pneumatischen Tastfühler ausgesteuerten
Druck direkt beaufschlagt wird, wie dies in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellt ist,
ober ob die Steuerung des Kompensationskraftgebers indirekt wirkt, wie beispielsweise
in Fig. 2, wo der ausgesteuerte Druck ein Stellglied beeinflußt und über eine Regelstrecke
auf den Kompensationskraftgeber wirkt. Es ist ferner hinsichtlich des Wesens der
Erfindung unerheblich, ob die Kraftgeber beweglich und die Kompensationskraftgeber
fest angeordnet sind oder umgekehrt, und es können statt eines beweglichen Kraft-
oder Kompensationskraftgebers mit veränderbarer Kraftangriffsrichtung auch mehrere
verwendet werden. Ebenso können auch beliebig viel feste Kraft- oder Kompensationskraftgeber
auf den Waagebalken wirken, und alle am Waagebalken wirksamen Kräfte können sowohl
Druck- als auch Zugkräfte sein.