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Pneumatisches Relais mit Selbsthaltung Gegenstand der Erfindung ist
ein pneumatisches Relais mit Selbsthaltung, welches das einer Regelgröße oder dessen
Abweichung vom Sollwert analoge, stetig veränderliche Eingangssignal in ein digitales
Ausgangssignal umwandelt, wobei der einmal eingenommene Ausgangszustand auch dann
noch gehalten wird, wenn das Eingangssignal, das diesen Zustand hervorgerufen hat,
schon wieder verschwunden ist. Während das Eingangssignal jeden beliebigen Druck
annehmen kann, kennt der Ausgang nur zwei definierte Zustände, nämlich »ein« oder
»aus« bzw. Signal oder kein Signal (s. Funktionsschema). Es handelt sich also um
ein System, das bei Erreichen eines bestimmten einstellbaren Eingangsdruckes in
einen der zwei möglichen Zustände kippt und darin so lange verharrt, bis der Eingangsdruck
auf einen ebenfalls einstellbaren Wert abgesunken ist.
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Es sind pneumatische Relais bekannt, bei denen der Ausgangsdruck stetig,
analog dem Eingangsdruck verändert wird. Diese werden insbesondere bei pneumatischen
Reglern verwendet und dienen dem Zweck der Verstärkung eines Signals. Die hier gestellte
Aufgabe kann mit Hilfe dieser Relais nicht gelöst werden.
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Es sind ferner elektrische pneumatische Relais bekannt, bei denn der
Steuerluftdruck einen elektrischen Kontakt öffnet oder schließt. Diese können auch
mit einer sogenannten Schaltdifferenz ausgeführt werden, d. h., die Kontakte werden
bei einem bestimmten Eingangsdruck geschaltet und bis zum Erreichen eines anderen
Druckes gehalten.
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Aus wirtschaftlichen Erwägungen erscheint es oft zweckmäßig, Flüssigkeitsstände,
Drücke in Behältern oder ähnliche nicht stetig, sondern periodisch mittels einer
sogenannten Zweipunktregelung zu regeln.
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Die Forderung nach einer stetigen Anzeige der Regelgröße erfordert
einen analog übertragenden Meßwertgeber, und damit wird ein Element notwendig, das
das der Regelgröße analoge Signal in ein digitales umwandelt. Diese Aufgabe wird
oft mit Hilfe eines elektrischen pneumatischen Relais gelöst, dessen Ausgangssignal
ein Magnetventil steuert. Da jedoch Magnetventile mit relativ geringen Stehkräften
arbeiten, sind diese in ihrer Größe und Anwendbarkeit beschränkt, so daß in den
meisten Fällen nicht auf ein pneumatisches Membranventil verzichtet werden kann.
In solchen Fällen kann ein Magnetventil einem pneumatischen Membranventil vorgeschaltet
werden. Dieses ist jedoch nicht nur aufwendig, sondern auch technisch ungünstig,
da die Wahrscheinlichkeit des Versagens eines so aufgebauten Steuerkreises mit der
Anzahl der hintereinandergeschalteten Elemente wächst. Außerdem besitzen elektrische
pneumatische Relais wegen des Verschleißes ihrer Kontakte nur eine beschränkte Lebensdauer.
Darum ist hier die Anwendung von elektrischen pneumatischen Relais ungünstig. Außerdem
müssen elektrische Geräte in chemischen Anlagen fast immer explosionsgeschützt sein,
was einen Regelkreis bzw. Steuerkreis oft sehr wesentlich verteuert, ohne die Regelung
bzw. Steuerung selbst zu verbessern. Diese Nachteile lassen sich durch Anwendung
der Erfindung beseitigen.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe in einfacher Weise dadurch
gelöst, daß Faltenbälge, Prallplatte und Düse bzw. ein Doppelventil nach A b b.
1 und 2 in folgender Weise zusammengebaut sind.
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Aufbau (zu A b b. 1) Die Brücke 3 ist am Faltenbalg 2 fest und am
Faltenbalg 1 so angeschraubt, daß der Abstand der Brücke 3 vom Faltenbalg 1 mit
Hilfe der Stellschraube 8 variierbar ist. Beide Faltenbälge sind fest mit der Grundplatte
16 verbunden. Die Stellschraube 6 spannt die Schraubenfeder 7 vor, welche eine Seite
der Brücke 3 gegen den Anschlagstift 5 drückt. Das Zweiwegeventi118, oder auch Verstärker
genannt, welches in ähnlicher Bauart bei pneumatischen Stetigreglern verwendet wird,
ist mittels der Platte 19 und der vier Schrauben 20 mit der Grundplatte fest verbunden
und hält mit seiner Düse 4 einen definierbaren Abstand von der Prallplatte 21, welche
sich zwischen den Bälgen 1 und 2 auf der Oberseite der Brücke 3 befindet. Das Zweiwegeventil
besteht aus dem Gehäuse 18, einem am unteren Teil des Gehäuses befestigten Faltenbalg
14, an dessen oberem Ende ein Deckel mit etwa U-förmigem Schnittbild befestigt ist.
In der Mitte dieses Deckels ist der Ring 22 befestigt, dessen Mantel waagerecht
durchbohrt ist und den Deckel mit dem Faltenbalg 13 fest verbindet. Das obere Ende
des Faltenbalgs 13 ist mit dem Gehäuse 18 fest verbunden.
Die Feder
12 drückt den Sitz 10 der Ventilspindel gegen die Dichtfläche des
Gehäuses 18 bzw. den Sitz 11 gegen den Ring 22, je nach Signalzustand
des Relais. In der Zuluftleitung zum Faltenbalg 14 und zur Düse 4 befindet sich
eine Drosselstelle 9.
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Aufbau (zu A b b. 2) Im unteren Teil 8 des Relaisgehäuses befindet
sich ein Doppelbalg, dessen äußerer Mantel 1 und innerer Mantel 2 fest und luftdicht
mit Teil 8 verbunden ist. Auf der oberen Stirnfläche ist ein Ring 3 befestigt, welcher
dem in A b b. 1 beschriebenen gleicht. Der Faltenbalg 5 stellt eine federnde Verbindung
zwischen dem oberen Teil 7 des Gehäuses und dem Ring 3 dar. Die Feder 6 drückt die
obere Dichtfläche 4 der Ventilspindel gegen das Gehäuseteil 7 bzw. die untere
Dichtfläche 12 der Spindel gegen den Ring 3. Durch die Ausgleichsbohrung 11 ist
das Gehäuseinnere mit der Atmosphäre verbunden. In der Zuluftleitung zum inneren
Balg 2 befindet sich ein Druckteiler, der hier nur schematisch dargestellt ist und
nicht ausführlicher beschrieben wird, weil dieses Prinzip allgemein bekannt sein
dürfte. Die Gehäuseteile 7 und 8 sind mittels eines Gewindes miteinander verbunden
und müssen sich gegeneinander verdrehen lassen, wodurch der Abstand der inneren
Stirnflächen beider Tiele verändert wird. Arbeitsweise (zu A b b. 1) Infolge eines
Druckanstiegs am Signaleingang S wird der Faltenbalg 1 gestreckt und damit die Brücke
3 angehoben, bis schließlich bei Erreichen einer bestimmten Höhe des Eingangssignals
der aus der Düse 4 ausströmenden Luft mit Hilfe der Prallplatte 21 der Weg
versperrt wird. Lag bei geöffneter Düse der gesamte Druckunterschied zwischen dem
Zuluftdruck und dem Atmosphärendruck infolge der Luftströmung an der Drosselstelle
9 (und damit herrschte Atmosphärendruck im Balg 14), so ist bei geschlossener Düse
4 der Druckverlust an der Drossel 9 gleich Null, weil die Strömungsgeschwindigkeit
der Luft innerhalb der Drossel 9 gleich Null ist. Demzufolge herrscht nun im Innern
des Faltenbalgs 14 der Druck der Zuluft. Infolgedessen wird der Balg 14 gestreckt,
der Ring 22 angehoben, der Faltenbalg 13 zusammengedrückt, der Ventilsitz
11 geschlossen und der Sitz 10 geöffnet, so daß die Zuluft jetzt zum Relaisausgang
strömen kann. Da der Ausgang des Relais mit dem Faltenbalg 2 durch eine Leitung
15 verbunden ist, erfolgt im Balg 2 ein Druckanstieg bis auf die Höhe des Ausgangsdruckes
und damit auf den Zuluftdruck, der vom Netzdruck abhängig ist bzw. von der Einstellung
einer vorgeschalteten Reduzierstation.
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Entsprechend dem Druckanstieg im Balg 2 würde dieser gestreckt und
die Prallplatte 21 um einen bestimmten Betrag x gehoben, wenn diese nicht schon
an der Düse anliegen würde. Demzufolge wird der Luftaustritt an der Düse 4 erst
dann wieder frei, wenn infolge Absinkens des Eingangssignals sich der Balg 1 so
weit zusammenzieht, daß die Brücke 3 dadurch um eine Strecke zurückgezogen wird,
die dem Betrag x entspricht. Während sich also der Balg 1 zusammenzieht, wird der
Balg 2 gestreckt, und dadurch wird die Prallplatte weiterhin gegen die Düse gedrückt,
obwohl der Eingangsdruck im Balg 1 sinkt. Wird der Luftaustritt an der Düse 4 wieder
freigegeben, dann herrscht im Balg 14 der Druck der Atmosphäre, der Ring 22 wird
demzufolge zurückgezogen, der Sitz 10 geschlossen und der Sitz
11 geöffnet, so daß die Luft aus dem eventuell angeschlossenen pneumatischen
Ventil über den Ring 22 und durch die Ausgleichsbohrung 17 in die Atmosphäre entweichen
kann. Einstellen der Schalthöhe Mit »Schalthöhe« sei hier der Eingangsdruck (Eingangssignal)
gemeint, der erforderlich ist, um das Relais in den Zustand zu bringen, in dem es
einen Ausgangsdruck führt. Infolge des Signaldruckanstiegs im Balg 1 erfährt dieser
einen Längenzuwachs, der proportional dem Druckanstieg ist. Im nicht erregten Zustand,
d. h. wenn das Eingangssignal sich in seinem unteren Extremwert befindet, hat die
Prallplatte den größten Abstand von der Düse (das Relais führt am Ausgang kein Signal),
die Höhenlage der Prallplatte sei in diesem Zustand mit »Nullage« bezeichnet. Diese
Nullage der Prallplatte ist also durch einen ganz bestimmten Abstand zur Düse gekennzeichnet.
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Durch Drehung der Stellschraube 8 kann die Nulllage verändert werden,
d. h., der Abstand der Prallplatte von der Düse kann (bezogen auf den nicht erregten
Zustand) vergrößert oder verkleinert werden. Da, wie schon erwähnt, die Längenzunahme
des Balgs proportional dem Druckanstieg im Ruhezustand ist, ist der eingestellte
Abstand der Prallplatte zur Düse ein Maß für die Schalthöhe. Eine an der Stellschraube
angebrachte geeichte Skala würde eine genaue Vorausbestimmung der Schalthöhe ermöglichen.
Eine ziemlich hoch eingestellte Nullage (geringer Abstand) würde nur eine geringe
Druckzunahme des Eingangssignals und eine sehr niedrig eingestellte Nullage (großer
Abstand) einen großen Druckanstieg erfordern. Einstellen der Schaltdifferenz Mit
Schaltdifferenz sei hier die Druckdifferenz zwischen dem Einstelldruck (Schalthöhe)
und dem Ausschaltdruck gemeint. Der Ausschaltdruck ist dabei der Eingangsdruck im
Balg 1, bei dem das Relais in den Ausgangszustand zurückkippt.
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Beim Umschalten des Relais in den Signalzustand erfährt der Signal-Haltebalg
2 einen plötzlichen Druckanstieg. Die dadurch entstehende Kraft P, der zufolge der
Balg 2 gestreckt wird, kann zu einem Teil oder auch ganz kompensiert werden, je
nach Vorspannung der Feder 7 durch die Stellschraube 6, d. h. also, die Längenzunahme
des Haltebalgs 2 kann mit Hilfe der Stellschraube 6 bis auf Null reduziert werden.
Da der Balg 1 die Prallplatte um die Strecke zurückziehen muß, die sie durch Balg
2 gehoben wird, um die Düse wieder freizugeben und damit das Ausgangssignal auszuschalten,
ist die Schaltdifferenz proportional der Längenzunahme des Haltebalgs 2, und damit
ist die Schaltdifferenz, bei entsprechender Wahl der bestimmenden Faktoren, mit
Hilfe der Stellschraube 6 zwischen Null und dem Wert der Schalthöhe kontinuierlich
einstellbar. Das bedeutet also für den einen Extremwert, daß das Relais bei überschreiten
der eingestellten Schalthöhe eingeschaltet wird und bei Unterschreiten derselben
wieder abfällt. Im anderen Extremfall würde das Relais nach einem einmaligen Einschalten
immer eingeschaltet bleiben, sofern nicht von außen (z. B.
durch
Fingerdruck auf die Brücke) eingegriffen würde.
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Arbeitsweise (zu A b b. 2) Infolge Druckanstiegs im äußeren ringförmigen
Teil l des Doppelbalgs entsteht eine Kraft, die den Balg streckt. Dadurch werden
der Ring 3 und die Ventilspindel gegen die Federkraft des Balgs 5 und der Feder
6 angehoben, wodurch der obere Ventilsitz 4 für den Durchgang der Druckluft freigegeben
wird, während der untere Ventilsitz 12 schließt. Nun herrscht am Relaisausgang der
eingestellte Zuluftdruck. Infolgedessen wird jetzt über die Zuleitung10 der innere
Teil 2 des Doppelbalgs druckbeaufschlagt. Die aus dieser Druckzunahme und der Stirnfläche
des Innenbalgs 2 resultierende Kraft streckt den Balg zusätzlich um eine weitere
Strecke. Nach Absinken des Druckes am Signaleingang zieht sich der Balg 1, 2 wieder
zusammen, und der obere Ventilsitz wird geschlossen, während der untere geöffnet
wird. Nun kann sich die Luft des Innenbalgs 2 und eines eventuell angeschlossenen
Stellgliedes (z. B. Membranventil) über die seitlichen Bohrungen des Ringes 3 und
die Gehäusebohrung 11 entspannen. Einstellen der Schalthöhe Die Längenzunahme des
Doppelbalgs 1, 2 ist proportional dem Druckanstieg am Signaleingang. Da die Schalthöhe
dann erreicht ist, wenn der untere Ventilsitz der Ventilspindel geschlossen und
der obere geöffnet wird, ist die Schalthöhe proportional dem Abstand der Dichtfläche
12 der Ventilspindel vom Dichtrand des Ringes 3 im nicht erregten Zustand (Eingangssignal
im unteren Extremwert). Die Einstellbarkeit des entsprechenden Abstandes im Ruhezustand
ist dadurch gegeben, daß beide Teile 7 und 8 des Relaisgehäuses durch ein Gewinde
miteinander verschraubt sind. Die Schalthöhe kann also durch Verdrehen von Teil
8 gegen Teil 7 eingestellt werden und mit Hilfe der geeichten Skala am Umfang des
Relais in einfacher Weise vorherbestimmt werden. Einstellen der Schaltdifferenz
Wie schon für A b b. 1 ausführlich dargestellt, besteht auch hier zwischen der beim
Umschalten des Relais durch den Innenbalg 2 verursachten Ausdehnung des Doppelbalgs
und der Schaltdifferenz eine Proportionalität. Da ferner diese Ausdehnung auch proportional
dem Druckanstieg im Innenbalg 2 ist, ist auch die Schaltdifferenz proportional dem
Druckunterschied im Innenbalg 2 zwischen dem Druck im Ruhezustand und dem im erregten
Zustand. Mit Hilfe des Druckteilers 9, der hier nur prinzipiell dargestellt ist,
weil dieser ein in der Regelungstechnik viel verwendetes und deshalb allgemein bekanntes
Gerät ist, kann der Druck im Innenbalg 2 zwischen dem atmosphärischen und dem Relaisausgangsdruck
kontinuierlich verändert werden.
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Der Druckteiler 9 ermöglicht also eine Beeinflussung der Längenzunahme
des Doppelbalgs durch den Innenbalg 2 beim Einschalten des Relais, und damit ist
die Einstellung der Schaltdifferenz mittels des Druckteilers 9 gewährleistet.
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Im folgenden soll die Abhängigkeit der Schalthöhe vom Prallplattenabstand
(Ab b. 1) sowie der Schaltdifferenz von der Vorspannung der Feder mittels
mathematischer Beziehungen dargestellt und das vorher beschriebene bewiesen werden
(das gleiche gilt im übertragenen Sinne für A b b. 2).
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Bedeutung der Kurzzeichen (Ab b. 1) p1 = Signaldruck.
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y = Weg der Prallplatte infolge der Längenausdehnung des Steuerdruckbalgs
1.
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F1 = Stirnfläche des Steuerdruckbalgs.
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C = Federkonstante des Steuerdruckbalgs, bezogen auf den Weg der Prallplatte.
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p2 = Zuluftdruck.
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F2 = Stirnfläche des Signalhaltebalgs 2.
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C2 = Federkonstante des Signalhaltebalgs, bezogen auf den Weg der
Prallplatte.
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.l y = Weg der Prallplatte infolge Ausdehnung des Signalhaltebalgs.
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P = Vorspannkraft der Feder 7 bei nicht erregtem Relais.
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a, b, k = konstante Faktoren.
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h = der eingestellte Abstand der Prallplatte von der Düse. Unter Zugrundelegung
der vorgenannten Zeichen besteht zwischen dem von der Prallplatte zurückgelegtem
Weg und dem Signaldruck folgende lineare Beziehung:
oder P1 - a.y.
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Setzt man hierin y = h, dann ist p1 = p, der Einschaltdruck
(Schalthöhe) des Eingangssignals. p, = a'h. Für den Moment des Ausschaltens
gilt h=yaus+dy oder yaus = h - d y . (II) Hierin ist
die noch bestehende Längenzunahme des Steuerdruckbalgs 1 und p" der Ausschaltdruck
im Balg 1.
Damit wird
Durch Zusammenfassung aller konstanten Faktoren wird
Bedeutung der Kurzzeichen (Ab b. 2) p, = Signaldruck im
äußeren Balg 1.
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y = Längenzunahme des Balgs 1, 2 infolge Druckanstieg im äußeren Balg
1.
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F,. = ringförmige Stirnfläche des äußeren Balgs 1.
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C = Federkonstante des Balgs 1, 2. p2 = Druck im inneren Balg
2.
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F2 =Stirnfläche des inneren Balgs 2.
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d y = Längenzunahme des Balgs 1, 2 infolge Druckanstieg im inneren
Balg 2.
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h = eingestellter Abstand der unteren Dichtflächen 12, 3.
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p1 = Zuluftdruck.
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a, b = konstante Faktoren.
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f = Proportionalitätsfaktor.
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Für den Steuerdruck gilt auch hier wieder
und für den Einschaltdruck p" = a - h . (V1) Im umgeschalteten Zustand
addieren sich die Kräfte beider Balgteile 1, 2, folglich ist Pl - FI -I- P2 ' F2
= C - Y oder
Setzt man auch hier h für y, dann. ist
der Ausschaltdruck im Steuerdruckbalg 1. Da p2= f - pz ist, wird
Darin ist »f« zwischen 0 und 1 mittels des Druckteilers 9 kontinuierlich einstellbar.