DE2018649C - ,Einrichtung zur Umformung eines Weges in einen pneumatischen oder hydraulischen Druck und umgekehrt - Google Patents

Description

daß sich in der mit dem pneumatischen Lager verbundenen Ausgangsleitung ein der Kraft proportionaler pneumatischer Druck einstellt.

Des weiteren sind Einrichtungen mit einem an einem Ende drehbar gelagerten und am anderen Ende auf einem pneumatischen Lager ruhenden Waagebalken und einer Anzahl von mit einem Ende an Widerlagern befestigten Federn bekannt, die mit ihrem anderen Ende an vorbestimmten Punkten des Waagebalkens mittels Stellantrieben von diesem abgehoben oder auf diesen aufgesetzt werden können. Diese Einrichtungen dienen zum Umsetzen eines pneumatischen Digitalsignals in ein pneumatisches Analogsignal und eignen sich nicht zur Umwandlung eines Weges in einen Druck oder umgekehrt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine genau arbeitende, wenig Platz beanspruchende und billige Einrichtung zum Umformen kleiner, mittlerer und insbesondere großer Wege in einen pneumatischen oder hydraulischen Druck oder eines solchen Druckes in derartige Wege zu schalfen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs beschriebenen Einrichtung dadurch gelöst, daß als Last ein federelastisches, sich zwischen dem Waagebalken und einem sich über die Länge desselben erstreckenden, festen Widerlager abstützendes Bauelement vorgesehen ist und daß die Umformung durch Verschieben der Last entlang des Waagebalkens erfolgt.

Wird die erfindungsgemäße Einrichtung als Weg-Druck-Umformer verwendet, so wird der umzuformende Weg als Verschiebung der Last entlang des Waagebalkens in die Einrichtung eingegeben. Der dadurch entstehende Druck in dem pneumatischen oder hydraulischen Lager ist dann, wenn die Verschiebung vom festen Aufleger aus erfolgt, dem Weg proportional. Bei Verwendung der Einrichtung als Druck-Weg-Umformer wird entsprechend das pneumatische oder hydraulische Lager mit dem umzuformenden Druck beaufschlagt. Durch den sich dabei verstellenden Waagebalken wird die Last so lange auf dem Waagebalken verschoben, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die Entfernung der Last von dem pneumatischen oder hydraulischen Lager ist dann proportional dem in die Einrichtung eingegebenen Druck. Damit kann also offensichtlich durch geeignete Wühl der Länge des Waagebalkens und der verschiebbaren Last jeder Weg, sei er klein, mittel oder groß, in einen entsprechenden pneumatischen oder hydraulischen Druck und umgekehrt umgeformt werden.

Bei Verwendung der Einrichtung als Druck-Weg-Umformer kann es geschehen, daß insbesondere bei einem langen Waagebalken und nur geringer Gesamtauslenkung desselben das Verhältnis der Reibungskräfte zwischen dem federelastischen Bauelement und dem Waagebalken einerseits und dem Bauelement und dem Widerlager andererseits zu den das Bauelement verschiebbaren Kraftkomponenten einen Wert annimmt, bei dein eine ordnungsgemäße Verschiebung des federelastisdicn Bauelementes nicht mehr gewährleistet ist. Dieser Llfekt kann bei einer Einrichtung mit einem pneumatischen oder hydraulischen Lager, das unmittelbar mit dem um/uformcnilen Ditick beaufschlagt wird, mit Vorteil dadurch umgangen werden, daß zur Rückführung des Waagebalkens in seine Nullage ein Stellungsregler vorgesehen ist, der von der Schwenkbewegung des Waagebalkens angesteuert ist und einen mit dem federelastischen Bauelement verbundenen Stellantrieb betätigt. Eine andere Möglichkeit zur Beseitigung des Effekts besteht darin, einen mit dem umzuformenden Druck und dem pneumatischen oder hydraulischen Lager auftretenden Druck gespeisten Druckkomparator und einen von diesem betätigten Stellantrieb zum Verschieben des federelastischen Bauelementes vorzusehen.

ίο Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnung, zum Teil in schematischer Darstellung, näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Weg-Druck-Umformer mit einer linearen Kennlinie,

Fig. 2 einen Weg-Druck-Umformer mit einer nichtlinearen Kennlinie,

Fig. 3 einen Weg-Druck-Umformer mit einer linearen und einer nichtlinearen Kennlinie,

Fig. 4 einen Druck-Weg-Umformer mit einem

Druckkomparator und einem Stellantrieb und

Fig. 5 einen Druck-Weg-Umformer mit einem vom Waagebalken gesteuerten Stellungsrcgier und einem Stellantrieb.

Die Einrichtung nach Fig. 1, die zum Umformen

eines Weges in einen pneumatischen Druck dient und eine lineare Weg-Druck-Kennlinie besitzt, umfaßt einen Waagebalken !, dessen eines Ende drehbar am Auflager 2 angelenkt ist und dessen anderes Ende auf einem Luftlager 3 ruht und als verschiebbare Last ein federelastisches Bauelement 4, das sich auf dem Waagebalken 1 und einem sich über die Länge desselben erstreckenden, festen Widerlager 5 mit einer Führungslläche 5« abstützt. Das Luftlager 3 ist eine über eine Drossel 6 an eine Druckluftquelle 7 angeschlossene Düse 8 mit einer Stichleituug 9. Der in der Stichleitung V herrschende Luftdruck I', ist der auf das Luftlager 3 wirkenden Last Π proportional. Das federelastische Bauelement 4 besteht aus einer Schraubenfeder 10, deren beide Enden jeweils mit einem Räder 11 tragenden Endstück 12 bzw. 13 verbunden sind. Die Ausbildung des federelastischen Bauelementes 4 als Wagen hat den Vorteil, daß die Reibungskräfte sehr klein gehalten werden können.

Die Führungslläche des Widerlagers 5 und die des Waagebalkens 1 besitzen einen entlang des Lastverschiebungsweges linearen Verlauf. Zudem sind die Führungslläche des Waagebalkens 1 und die des Widerlagers 5 zueinander parallel. Die auf den Waagebalken 1 wirkende Kraft K, die durch die sich

so zwischen dem Waagebalken 1 und der Führungsbahn 5« verspannende Schraubenfeder IO des federelastischen Bauelementes 4 erzeugt wird, ist damit übei den gesamten Verschiebungsweg des Bauelementes <1 konstant, vorausgesetzt, daß der Auslenkungswinke des Waagebalkens 1 sehr klein ist. Die auf das Luftlager 3 wirkende Last D ergibt sich dünn zu:

Il ----- K

wobei α der Abstand der beiden Lager 2 und 3 von einander und ν der jeweilige Abstand des fedcrelasii sehen Bauelementes 4 vom Lager 2 ist. Um in ein· fächer Weise eine NullpunklcRhung der Einrichtung S5 durchfühlen /u können, empliehlt es .sieh, dei Waagebalken 1 vorzugsweise an seinem dem Lager, benachbarten linde über ein I'ederelement 14 mi einem verstellbaren Festpunkt 15 /u vei binden. l>u

Gleichung (1) erhält dann unter Berücksichtigung der von dem Federclement 14 auf den Waagebalken 1 ausgeübten Kraft N die Form:

B=K

(2)

mit b als Abstand des Federelementes 14 vom Lager 2; der Druck P_L in der Stichleitung 9 folgt dann zu:

(3) keit, ein Wegsignal in zwei Drucksignale umzuwandeln, deren Wegabhängigkeit unterschiedlich ist. Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie entspricht im wesentlichen der Einrichtung gemäß

F i g. 2, jedoch stützt sich das federelastische Bauelement 4 pneumatisch (oder hydraulisch) auf dem Waagebalken 1 und dem Widerlager 5 ab. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen dem federelasiischen Bauelement 4 und dem Waagcbalken 1 ein pneumatisches Lager 16 vorhanden. Die auf das Lager 16 wirkende Kraft K' ist offensichtlich gleich der Kraft K,_XI in Gleichung (5). Mit A₁ = /!., ist dann

wobei F die Wirkflächc des Lagers 3 ist. Daraus resultiert, daß der Druck im Luftlager 3 dem Abstand des federelastischen Bauelementes 4 vom Auflager 2 und damit dem umzuformenden Weg direkt proportional ist.

Wie bereits erwähnt, kann durch das Federelcment 14 mit der veränderbaren Federkraft N der Nullpunkt der Kennlinie eingestellt werden. Um auch die Steigung der Kennlinie den Erfordernissen anpassen zu können, ist am zweckmäßigsten der Abstand der Führungsfläche 5a des Widerlagers 5 zur Führungsfläche des Waagebalkens 1 einstellbar, wodurch die Kraft K verändert werden kann.

Als besonders zweckmäßig hat es sich des weiteren erwiesen, die Führungsfläche des Waagebalkens 1 und die des Widerlagers 5 mit veränderbarer Neigung zueinander anzuordnen. Damit besteht die Möglichkeit, nicht nur lineare, sondern auch quadratische Weg-Druck-Kennlinien in ein und derselben Einrichtung einstellen zu können. Wird nämlich, wie dies aus F i g. 2 hervorgeht, eine der beiden Führungsflächen um einen Winkel α gegenüber der anderen geneigt, so ändert sich offensichtlich die Federkraft K in Abhängigkeit vom Weg χ und man erhält für die auf das Luftlager 3 wirkende Kraft B die Beziehung

und

K' - r-.Y-tg.\

B =

(7)

Die in den Stichlcitungcn 9 und 17 a, wobei die Stichleitung 17 a von der flexiblen Leitung 17 abgeht, auftretenden Luftdrücke sind

a ■ F

vM ,V

a- F

und

(8)

(9)

B =

^X + N -α ο

(4)

K_lxt = (Zj₁ - /ι,) c + ex- ign., (5)

wobei c die Federkonstante der Schraubenfeder 10. /i, die entspannte Länge und A„ die Länge der Schraubenfeder 10 an der Stelle "des Lagers 2 ist. Ist /ΐ,-Α«, so ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (5)

B =■

(6)

Dies bedeutet, daß der Druck im Luftlager 3 dem Quadrat des Abstandes des federelastischen Bauelementes 4 vom Auflager 2 und damit dem Quadrat des umzuformenden Weges proportional ist.

Besitzen schließlich die Führungsflächc des Widerlagers 5 und/oder die des Waagebalkens 1 entlang des 1 .astverschicbunpswcgcs einen nichllincaren, nichtparallcicn Verlauf, so kann nahezu jede gewünschte Wejv-Druck -Kennlinie erzeugt werden.

Bei hiniichtunpun mit zueinander geneigten und/odiM ι men uichllincarun Verlauf besitzenden 1 ühruni'.sliaclicn besieht (Inrühci hinaus die Möglich Das eine Drucksignal ist also proportional dem Ouadrat des Weges, während das andere direkt proportional dem Weg ist.

Die vorgenannten Einrichtungen können nicht nur als Weg-Druck-Umformer, sondern auch als Druck-Weg-Umformer eingesetzt werden, indem der um/aformende Druck auf das Lager 3 gegeben und der Weg am verschiebbaren federelasiischen B;iulement 4 abgenommen wird. Wie bereits eingangs erwähnt, kann es jedoch unter gewissen Umstände;) geschehen, daß bei einer druckabhängigen Auslenkung des Waagebalkens 1 wegen der auftretenden Reibungskräfte eine ordnungsgemäße Verschiebung des fcdcrelastischcn Bauelementes 4 nicht mehr ge währleistct ist.

Eine Einrichtung, die diesen Nachteil nicht auiweist, zeigt Fi g. 4. Die Einrichtung umfaßt wiederum einen drehbar gelagerten Waagebalken 1, der mil seinem freien Ende auf einem sich auf dem Waagebalken 1 und der Führungsbahn 5 α des Widerlagers 5 abstützt. Die druckabhängige Verschiebung des Bauclementcs 4 erfolgt durch einen Stellantrieb 18 mit einem beidseitig mit Druck bcaufschlagbarcn Kolben 19, der über ein über Umlcnkrollen 20 laufendes Antriebsscil 21 mit dem fcderclastischcn Bauelement 4 verbunden ist. Zur Steuerung des Stcllantricbes 18 ist ein von einer Druckluflquelle 7 gespeister Druekkomparator 22 vorgesehen, dem der umzuformende Druck P₁ und der im Lager 3' auftretende Druck V₁ zugeführt wird und dessen Ausgänge jeweils mit einer Steuerkammer des Slellanlricbcs 18 in Verbindung stehen. Der Druckkomparalor 22 erzwingt hierbei mittels des Stellantriebes 18 Mets eine solche Stellung des fcdcrelasttschen Bau-• -clementcs4. daß der Druck P, des l.uftlaRCrs3' «lern

umzuformenden Druck P_E direkt proportional ist. Die Genauigkeit der Umformung des Druckes P_E in einen Weg ist bei Benutzung geeigneter Druckkomparatoren 22 — beispielsweise einem Stellungsregler mit PI-Verhalten — unabhängig von Wider- ständen und Fehlern im Stellantrieb 18 oder am Bauelement 4.

Eine weitere Einrichtung, die den obengenannten Effekt umgeht, ist in Fig. 5 dargestellt. Der umzuformende Druck P_E wird bei dieser Einrichtung unmittelbar auf das Luftlager 3" gegeben. Die Steuerung des Stellantriebes 18 erfolgt durch einen von einer Druckluftquelle 7 gespeisten Stellungsregler 23 entsprechend der Auslenkung des Waagebalkens 1. Die Auslenkung kann mittels zweier auf den als Prallplatte dienenden Waagebalken 1 gerichteter Düsen 24 gemessen und in den Stellungsregler 23 eingegeben werden. Bei dieser Einrichtung wird durch Verschieben des federelastischen Bauelementes 4 mittels des Stellantriebes 18 der ausgelenkte Waagebalken 1 in seine Nullage zurückgeführt, der umzuformende Druck P_E also am Waagebalken 1 direkt gegen das Produkt aus Last und Lastabstand ausgewogen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209683M05

Claims (9)

ι 2 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 Patentansprüche· bis 9 zur Umformung sines pneumatischen odei hydraulischen Druckes in einen Weg, bei der da<

1. Einrichtung zur Umformung eines Weges pneumatische oder hydraulische Lager unmittel in einen pneumatischen oder hydraulischen 5 bar mit dem umzuformenden Druck beaufschlag! Druck und umgekehrt mit einem Waagebalken, ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ruckfunrunj der an einem Ende drehbar gelagert ist und am des Waagebalkens (1) in seme Nullage ein Stel anderen Ende auf einem pneumatischen oder Iungsregler (23) vorgesehen ist, der von dei hydraulischen Lager ruht, das durch eine auf Schwenkbewegung des Waagebalkens (1) ange dem Waagebalken angreifende Last bezüglich io steuert ist und einen mit dem federelastischer seiner Druckverhältnisse beeinflußbar ist, da- Bauelement(4) verbundenen Stellantrieb(18) be durch gekennzeichnet, daß als Last ein tätigt.

federelastisches, sich zwischen dem Waagebalken

(1) und einem sich über die Länge desselben

erstreckenden, festen Widerlager (5) abstützendes 15
Bauelement (4) vorgesehen ist und daß die Umformung durch Verschieben der Last entlang des

Waagebalkens (1) erfolgt. Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung

2. Hinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- zur Umformung eines Weges in einen pneumatischen kennzeichnet, daß der Abstand der Führungs- ao oder hydraulischen Druck und umgekehrt mit einem näche(5a)des Widerlagers (5) von der Führungs- Waagebalken, der an einem Ende drehbar gelagert fläche des Waagebalkens (1) einstellbar ist. ist und am anderen Ende auf einem pneumatischen

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- oder hydraulischen Lager ruht, das durch eine aul durch gekennzeichnet, daß als federelastisches dem Waagebalken angreifende Last bezüglich seinei Bauelement (4) eine Schraubenfeder (10) vor- 25 Druckverhältnisse beeinflußbar ist.

gesehen ist, deren beide Hndcn jeweils mit einem Zur Umformung eines Weges in einen pneuma-

Räder(ll) tragenden Endstück (12; 13) versehen tischen oder hydraulischen Druck und eines solchen

sind. Druckes in einen Weg sind Einrichtungen bekannt,

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 die aus einer Düse und einer vor dem Ausgang dei bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füll- 30 Düse sitzenden Prallplatte oder Abdeckfahne odei rungsllüchc (Sn) des Widerlagers (S) und die des aus einer Strahldüse und einer koaxial dazu angeord-Waagebalkens (1) entlang des Verschiebung*- neten Fangdüse bestehen, zwischen denen sich eine weges einen linearen Verlauf besitzen. Fahne bewegt. Mit diesen Einrichtungen können

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 Wege von 0,5 mm und weniger direkt in ein propor bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füh- 35 tionales Drucksignal umgewandelt werden. Eine Umrungsflüche (5a) des Widerlagers (S) und/oder formung großer Wege in ein Diucksignal oder das die des Waagebalkens (1) entlang des Verschie- Umgekehrte ist mit diesen bekannten Einrichtungen bungsweges einen nichtlinearen, nichtparallelen nicht möglich.

Verlauf besitzen. Zur Umformung großer Wege sind des weiteren

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 40 Einrichtungen bekannt, bei denen der große Weg bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Füh- mittels eines Getriebes zuerst in einen kleinen Weg rungsfliichc des Waagebalkens (1) und die des transformiert und dieser dann in ein entsprechendes Widerlagers (5) mit veränderbarer Neigung zu- Drucksignal umgewandelt wird. Ebenso ist es becinander angeordnet sind. , kannt, einen großen Weg mittels federelastischei

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 45 Elemente zuerst in eine Kraft und danach diese in bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füh- ein Drucksignal umzuformen. Diese Einrichtungen rungsfläehe des Waagebalkens (1) und die des haben den Nachteil, daß sie entweder auf Grund dei Widerlagers (5) zueinander parallel sind. üblichen Getriebefehler — Reibungen, Verbiegungen

8. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, da- usw. — relativ ungenau arbeiten und Umwandlungsdurch gekennzeichnet, daß das federelastische so Verluste auftreten oder sich nur selten unmittelbar Bauelement (4) sich pneumatisch oder hydrau- dort anbringen lassen, wo der umzuformende Weg lisch auf dem Widerlager (5) und dem Waage- auftritt, da die federelastischen Elemente wesentlich balken (I) abstützt. länger als ihr Federweg sind und sich daher kon-

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 struktiv ungünstige Lösungen ergeben. Hieruntei bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Waage- 55 fallen die insbesondere in pneumatischen Reglern zui balken (I) vorzugsweise an seinem dem hydrau- Umwandlung eines Weges in einen Druck oder eines iischen oder pneumatischen Lager (3) benach- Druckes in einen Weg verwendeten Einrichtungen harten EmIe über ein Federelement (14) mit mit einem Waagebalken, der an einem Ende drehbar einem verstellbaren Festpunkt (15) verbunden ist. gelagert ist und am anderen Ende auf einem pneu-

K). Einrichtung nach einem der Ansprüche I 60 matisclien Lager ruht, das durch eine auf dem Waagebis 9 /ur Umformung eines pneumatischen oder balken angreifende Last bezüglich seiner Druckhydraulischen Druckes in einen Weg, gekenn- Verhältnisse beeinflußbar ist. Die an dem Waagezeichnet durch einen mit dem umzuformenden balken angreifende Last ist eine dem umzuformenden Druck (/'/.) und dem im pneumatischen oder Weg proportionale Kraft, deren Angriffspunkt am hydraulischen Lager (3') auftretenden Druck (P₁) 65 Waagebalken frei wählbar ist und für einen vorgespeisten Druckkomparator (22) und einen von gegebenen Umwandlungsbereich festliegt. Entspredieseni gesteuerten Stellantrieb (18) zum Ver- chend der Auslenkung des Waagebalkens wird das schieben iles l'edcreliistischeu Bauelementes (4). pneumatische Lager mehr oder weniger belastet, so