DE1523441B2 - Rückkopplungsvorrichtung für einen Regler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rückkopplungsvorrichtung für einen Regler mit einem ersten Balg, der mit einem Stellmotor des Reglers verbunden ist und die Bewegung des Stellmotors über eine als hydraulische Kraftübertragung wirkende Flüssigkeitssäule auf einen zweiten Balg überträgt, der mit einem von dem Meßwerk des Reglers betätigbaren Gestänge so verbunden ist, daß das Rückkopplungssignal dem Meßsignal entgegenwirkt, wobei die die hydraulische Kraftübertragung darstellende Flüssigkeitssäule über ein Drosselventil, das die Nachgebezeitkonstante bestimmt, mit einem weiteren mit Flüssigkeit gefüllten Raum verbunden ist.

Eine solche Rückkopplungsvorrichtung ist aus der deutschen Patentschrift 553 332 bekannt; in ihr sind lediglich die beiden Rückführbälge durch äquivalente Bauteile, nämlich durch zwei hydraulische Rückführkolben, ersetzt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte und gedrängte Konstruktion zu so schaffen, die in Regler verschiedener Größe und Bauart als Baueinheit eingebaut werden kann. Die neuartige Rückkopplungsvorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bälge unterschiedliche Durchmesser haben, ferner daß der kleinere Innenbalg achsenparallel innerhalb des größeren Außenbalges angeordnet ist und^daß die beiden Bälge an einem Ende an einer ge"meinsamen stationären Stirnwand befestigt sind, die den Ringraum zwischen den beiden Bälgen abschließt, der als kraftübertragende Flüssigkeitssäule wirkt.

Die gewünschte Proportionalität wird in bekannter Weise dadurch erzielt, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Stellmotor und dem damit verbundenen Balg geändert wird, und die Integrationszeit kann in ähnlicher Weise durch das vorerwähnte Drosselventil geändert werden.

Vorzugsweise ist der Außenbalg mit dem Stellmotor verbunden. Wenn diese Verbindung in an sich bekannter Weise etwas federnd, d. h. energiespeichernd, gemacht wird, so ist es möglich, eine Differentialwirkung dadurch einzuführen, daß der bewegliche Boden des Außenbalges mit einem Ende eines dritten koaxialen Balges verbunden wird, der mit Flüssigkeit gefüllt ist und dessen entgegengesetztes Ende an einer stationären Trägerplatte befestigt ist. Das Innere dieses dritten Balges kommuniziert mit der umgebenden Flüssigkeit über ein Drosselventil, das es nun ermöglicht, eine Änderung der Differentialwirkung des Reglers oder die Höhe der Verzögerung der Rückkopplung zu verändern.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 zwei Vorrichtungen mit einer PI-Wirkung bzw. einer PID-Wirkung, die beide in einem aus einem Druckmedium angetriebenen Regler angeordnet sind.

Soweit Einzelteile in den beiden Ausführungsformen gleich sind, sind sie mit gleichen Ziffern be- zeichnet.

Die Grundelemente des in Fig. 1 gezeigten Reglers sind an sich bekannt, doch werden sie im folgenden kurz beschrieben. In einem teilweise mit einer Flüssigkeit, insbesondere öl, gefüllten Reglergehäuse 3 ist ein senkrechter Zylinder 4 angeordnet, dessen unteres Ende offen ist und in dem ein Kolben 5 bewegbar angeordnet ist. Die Kolbenstange 6 ist nach oben gerichtet und mit einem Draht od. dgl. verbunden, um eine Steuerung gegen die Wirkung einer Feder oder eines Gegengewichtes durchzuführen. Im Gehäuse 3 ist eine Zahnradpumpe 7 angeordnet, die von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben ist, wobei die Saugseite an ein in die Flüssigkeit eintauchendes Rohr 8 und außerdem an einen Lufteinlaß angeschlossen ist, der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist. Der Lufteinlaß wird durch ein in einer beweglichen Ventilspindel 9 befestigtes Ventilglied gedrosselt und öffnet sich gegen die Wirkung einer Feder 10. Eine Leitung 11 erstreckt sich von der Druckseite der Zahnradpumpe bis zum oberen Ende des Zylinders 4, und ein von dieser Leitung abgezweigtes Auslaßrohr 13 hat einen Drosseldurchgang 12.

Die Ventilspindel 9 ist mit einem Arm eines zweiarmigen Hebels 14 verbunden, der sich im wesentlichen horizontal durch eine Öffnung in der Wand des Gehäuses 3 erstreckt und an einem horizontalen Schwenkpunkt 15 schwenkbar gelagert ist. Der andere Arm des Hebels 14 ist mit einer Membran 16 verbunden, die als Meßvorrichtung dient und in einem Membrangehäuse 17 angeordnet ist, das .an der Außenwand des Reglergehäuses 3 befestigtest. Die oberhalb der Membran liegende Kammer 18.hat einen Auslaß 19, der mit einer Druck- oder yafcüurnquelle verbunden sein kann, die den Regler steuert. Wenn der Druck in der Kammer.lS'- sich ändert, so wird der Hebel 14 durch die Membran 16 gegen die Wirkung einer Zugfeder 20 geschwenkt, die mit dem inneren Hebelarm 14 verbunden ist. Die Spannung der Zugfeder 20 kann mit Hilfe einer Einstellschraube 21 eingestellt werden, die im Oberteil des Reglergehäuses 3 eingesetzt ist.

Ferner ist ein doppelarmiger Hebel 22 schwenkbar an einer horizontalen Schwenkstelle 23 angeordnet, die an einer am Oberteil des Reglergehäuses 3 befestigten Stütze 24 angebracht ist. Ein Ende des Hebels 22 ist mit der Kolbenstange 6 verbunden und das entgegengesetzte Ende des Hebels über eine Lasche 25 schwenkbar an einer senkrechten Rückkopplungsstange 26 angeschlossen, die mit einer Rückkopplungsvorrichtung zusammenwirkt. Die Rückkopplungsstange 26 wird in einer Hülse der Stütze 24 geführt und erstreckt sich nach unten durch eine Öffnung im Oberteil in das Reglergehäuse 3 hinein. Der Hebel 22 kann an der Lasche 25 in veränderlichem Abstand von der Schwenkstelle 23 angebracht werden, um so eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Bewegung der Kolbenstange 6 und der Bewegung der Rückkopplungsstange 26 zu erreichen. Dieses Übersetzungsverhältnis bestimmt die Proportionalität der Rückkopplung.

Die Rückkopplungsvorrichtung gemäß F i g. 1 weist ein zylindrisches Gefäß 27 auf, das oben offen ist und an der Innenseite des Reglergehäuses 3 auf einer tieferen Ebene als die Zahnradpumpe 7, jedoch mindestens teilweise oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, aufgehängt ist. Das Gefäß 27 ist an einem Halter 28 befestigt, der an der Wand des Reglergehäuses 3 mit Hilfe einer Schraube 29 fest angebracht ist, wobei der Halter 28 noch eine senkrechte Führung für die obenerwähnte Rückkopplungsstange 26 hat. Der Boden 30 des Gefäßes 27 hat eine ziemlich große kreisförmige Öffnung, in der das obere Ende eines nach unten hängenden Innenbalges 31 befestigt ist. Ein weiterer Außenbalg 32 ist mit

dem äußeren Umfang des ringförmigen Bodens 30 des Gefäßes 27 so verbunden, daß der Innenbalg 31 koaxial umgeben wird. Das untere Ende des Außenbalges 32 ist durch eine starre Bodenplatte 33 verschlossen, die fest an der Rückkopplungsstange 26 angebracht ist. Das untere Ende des Innenbalges 31 ist durch eine starre Bodenplatte 34 geschlossen. Eine darin angebrachte Verbindungsstange 35 erstreckt sich koaxial nach oben durch das Gefäß 27 und ist mit ihrem oberen Ende am Arm 14 mit Hilfe einer Feder 36 verbunden, die in der Schwenkrichtung des Hebels 14 biegsam ist.

Der zwischen den beiden Bälgen 31, 32 vorhandene Raum kommuniziert mit dem Gefäß 27 durch einen Durchgang 37 im Boden 30. Der Durchgang 37 wird durch ein Nadelventil 39 gedrosselt, das mit einem Handrad 38 versehen ist. Gegebenenfalls kann eine durch ein Ventil gesteuerte Öffnung in der Bodenplatte 33 vorgesehen sein, obwohl eine solche Konstruktion weniger günstig erscheint. Die Bälge 31, 32 und außerdem das Gefäß 27 sind ständig mit einer vom Pumpenauslaß 13 über eine oberhalb des Gefäßes 27 endigende Zweigleitung 40 ständig mit Flüssigkeit gefüllt, wobei der Überschuß an Flüssigkeit über, dem- Rand des Gefäßes 27 abfließen kann. Damit bleibt der auf die Bälge ausgeübte statische Druck konstant.

Die Wirkungsweise der oben beschriebener^Ein-»-^ richtung ist nun wie folgt:

Wenn die Membran 16 ein Eingangssignal in Form einer Druckminderung in der Kammer 18 erhält, wird der Arm 14 gegen den Uhrzeigersinn geschwenkt und drosselt über die Spindel 9 das Luftventil der Zahnradpumpe 7. Damit fördert die Pumpe mehr Flüssigkeit, worauf sich der Kolben 5 nach unten bewegt und eine Regeloperation durchführt. Gleichzeitig wird die Rückkopplungsstange 26 nach oben proportional der Bewegung des Kolbens 5 so gezogen, daß der Außenbalg 32 zusammengepreßt wird. Falls das Nadelventil 39 ganz geschlossen sein sollte, so wird eine proportionale Aufwärtsbewegung dem Innenbalg 31 erteilt, der seinerseits die Verbindungsstange 35 bewegt. Mit Hilfe der Feder 36 wird dann der Arm 14 in Rückstellrichtung (im Uhrzeigersinn) betätigt, um so über die Spindel 9 das Luftventil ein wenig weiter zu öffnen. Hierdurch nähert sich der Kolben 5 einer neuen Gleichgewichtsstellung ohne merkbare Schwingungen. Eine proportionale Rückkopplung dieser Art hat jedoch den Nachteil, daß sich der Einstellwert in geringem Maße bei veränderlichen Betriebszuständen ändert.

Andererseits wird eine federnde Rückkopplung erreicht, wenn das Nadelventil 39 mehr oder weniger geöffnet wird. In einem solchen Fall hat der Leckfluß der Flüssigkeit durch den Durchgang 37 die Wirkung, daß die Bewegung des Außenbalges 32 den Innenbalg 31 progressiv weniger beeinflußt, worauf dann der Kolben 5 langsam und ohne Schwingungen sich einer neuen Gleichgewichtsstellung genau entsprechend dem ursprünglichen Einstellungswert des Reglers nähert. Mit anderen Worten, der Regler hat eine Proportional-Integral-Wirkung.

In der Ausführungsform nach F i g. 2 ist ein sich nach unten erstreckender Halter 41 am Boden 30 des Gefäßes 27 befestigt, der eine horizontale Platte 42 an seinem unteren Ende trägt. Die Platte 42 ist in einem Abstand unterhalb der Bodenplatte 33 des Außenbalges 32 angeordnet. Ferner ist ein Zusatzbalg 43 an den beiden Platten 33 und 42 koaxial zu den Bälgen 31 und 32 befestigt. Das Innere des Zusatzbalges 43 kommuniziert mit dem umgebenden Reglergehäuse 3 über einen Kanal 44, der in der stationären Bodenplatte 42 vorgesehen ist und in den ein mit Hilfe eines Handrades 45 einstellbares Nadelventil 46 eingreift. Auf diese Weise kann der Balg 43 ständig mit Flüssigkeit aus dem Reglergehäuse 3 gefüllt sein. In F i g. 2 durchdringt die Rückkopplungsstange 26 eine Führungshülse 47, die an der Innenseite des Reglergehäuses 3 befestigt ist, wobei ein Teilstück der Rückkopplungsstange 26 durch eine ziemlich steife Schraubenfeder 48 gebildet ist, die in gewissem Umfang dazu dient, die vom Hebel 22 weitergegebene Kraft zu speichern. Gegebenenfalls kann ein Teil des Hebels 22 als Alternativlösung aus einer Feder bestehen.

Wenn das Nadelventil 46 ganz offen ist, so ist die Bewegung der Bodenplatte 33 durch den Zusatzbalg 43 nicht behindert, und die Vorrichtung gemäß F i g. 2 wirkt dann in der gleichen Weise wie die in Fig. 1 dargestellte. Wenn das Nadelventil 46 gedrosselt wird, ergibt sich ein entsprechender Widerstand gegen die Bewegung der Bodenplatte 33, und eine gewisse Rückkopplungskraft wird zeitweilig in der Schraubenfeder 48 gespeichert. Auf diese Weise ergibt sich eine verzögerte Rückkopplung. Diese Differentialwirkung des Reglers ist von besonderer Wichtigkeit in solchen Fällen, in denen pasche" und große Änderungen in den physikalischen Bedingungen auftreten, die durch den Regler gesteuert werden. Ohne eine merkbare Gegenwirkung kann dann der Regler rasch eine vorteilhafte Kraft erzeugen, um eine Rückstellung auf den vorbestimmten Einstellwert zu erreichen, worauf dann die Rückkopplung mit einer sich progressiv erhöhenden Kraft erfolgt, um die Bewegung des Kolbens zu dämpfen, wenn dieser sich seiner neuen Endstellung nähert.

Wie bereits erwähnt, sind die oben angeführten Funktionen im Prinzip bereits bekannt, doch ergibt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vereinfachte, zuverlässige und gedrungene Bauart, die in vorteilhafter Weise als Baueinheit in verschiedene Reglertypen eingebaut werden kann. Wenn nur eine PI-Wirkung erforderlich ist, so ist die einfachere Konstruktion gemäß F i g. 1 ausreichend, wenn jedoch eine Differentialwirkung ebenfalls erwünscht ist, so können die erforderlichen Teile der Baueinheit gemäß F i g. 1 in einfacher Weise hinzugefügt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rückkopplungsvorrichtung für einen Regler mit einem ersten Balg, der mit einem Stellmotor des Reglers verbunden ist und die Bewegung des Stellmotors über eine als hydraulische Kraftübertragung wirkende Flüssigkeitssäule auf einen zweiten Balg überträgt, der mit einem von dem Meßwerk des Reglers betätigbaren Gestänge so verbunden ist, daß das Rückkopplungssignal dem Meßsignal entgegenwirkt, wobei die die hydraulische Kraftübertragung darstellende Flüssigkeitssäule über ein Drosselventil, das die Nachgebezeitkonstante bestimmt, mit einem weiteren mit Flüssigkeit gefüllten Raum verbunden ist, da-

durch gekennzeichnet, daß die beiden Bälge (31, 32) unterschiedliche Durchmesser haben und der kleinere Innenbalg (31) achsenparallel innerhalb des größeren Außenbalges (32) angeordnet ist und daß die beiden Bälge (31, 32) an einem Ende an einer gemeinsamen stationären Stirnwand (30) befestigt sind, die den zwischen den beiden Bälgen (31, 32) vorhandenen, als kraftübertragende Flüssigkeitssäule wirkenden Ringraum abschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (39) in einem Durchgang (37) in der Stirnwand (30) verstellbar angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da-

durch gekennzeichnet, daß der Außenbalg (32) mit dem Stellmotor verbunden ist.

4. Vorrichtung, bei der in der Verbindung zwischen dem Außenbalg und dem Stellmotor ein eine geringe Nachgiebigkeit aufweisendes Federglied vorgesehen ist, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (33) des Außenbalges (32) außen mit einem Ende eines dritten, koaxialen, mit Flüssigkeit gefüllten Zusatzbalges (43) verbunden ist, dessen entgegengesetztes Ende an einem stationären Halter (42) befestigt ist und dessen Innenraum mit der umgebenden Flüssigkeitsmenge über ein zur Änderung der Rückstellverzögerung dienendes Drosselventil (46) kommuniziert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen