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Druckmittelbetriebener Regler.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen druckmittelbetriebenen Regler
mit Druckkörpern für den Istwert, den wert und die Rückführung, die in einer Wirkungsebene
mit sich in einem innerhalb des Reglers liegenden Punkt schneidenden Wirkungslinien
am Gehäuse befestigt sind und mit ihrem beweglichen Teil auf ein zumindest in diesem
Bereich eine zum Wirkungslinienschnittpunkt konzentrische Kreisbogenkontur aufweisendes
Steuerglied wirken, das den einen Teil eines Abtastsystems, insbesondere eines Düsen-Prallplatte-Systems,
trägt oder bildet.
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Es sind bereits Regler bekannt, die in einer Wirkungsebene einen Istwertbalg
und einen diesem gegenüberliegenden Sollwertbalg sowie ein quer dazu angeordnetes
Rückführbalgpaar enthalten. Die Bälge sind jeweils an einem Ende am Reglergehäuse
befestigt und am anderen beweglichen Ende untereinander mit einem ringförmigen Steuerglied
verbünden, das als Prallplatte eines Düsen-Frallplatte-Abtastsystems dient und den
Offnungsquerschnitt der Düse dieses Systems steuert, derart, daß bei einem bestimmten
Weg des Steuergliedes ein diesem Weg ungefähr proportionales Drucksignal erzeugt
wird. Diese nach dem Wegvergleichsprinzip arbeitenden Regler - sogenannte Kreuzbalgregler
- haben gegenüber den nach dem Drehmoment- oder Kraftvergleichsprinzip arbeitenden
Reglern den Vorteil, daß es für die P-Bereichseinstellung konstruktiv günstige Lösungen
gibt. So ist bei dem bekannten Regler -zur Einstellung des jeweils gewünschten P-Bereiches
lediglich ein um eine zentrale Achse schwenkbar am Reglergehäuse angelenkter Hebel
erforderlich, der an seinem freien Ende -die auf die Prallplatte gerichteteDüse
trägt. Nachteilig ist, daß für diese Regler in bezug auf ihre Federeigenachaften
und Abmessungen ausgewählte und zueinander passende
Bälge verwendet
werden müssen, da andernfalls der Aussteuerbereich bei jeweils einem bestimmten
P-Bereich von Regler zu Regler verschieden groß ausfallen und dies einen betriebsmäßigen
Einsatz der Regler erheblich behindern würde. An sich ist es theoretisch möglich,
Abweichungen in den Federeigenschaften und/oder Abmessungen der Bälge in gewissen
Grenzen durch Verschwenken der Düse, also durch Verändern des P-Bereiches bei gleichzeitiger
Änderung des P-Bereich-Nullpunktes, zu kompensieren. Dies bringt in der Praxis jedoch
solche Schwierigkeiten mit sich, daß das Auswählen von Bälgen gleicher Pedereigenschaften
und Abmessungen wesentlich einfacher und billiger ist. Ein weiterer Nachteil dieser
Kreuzbalgregler besteht darin, daß der Aussteuerbereich vom jeweils eingestellten
P-Bereich abhängig ist, die Empfindlichkeit des Reglers in den verschiedenen P-Bereichen
also unterschiedlich groß ist. Dieser Effekt wird bei einem'bekannten Kreuzbalgregler
dadurch zu beseitigen versucht, daß der Winkel zwischen dem Istwertbalg und dem
einen Rückführbalg etwas kleiner und der Winkel zwischen dem Sollwertbalg und dem
anderen Rückführbalg etwas größer als 900 gewählt und das ringförmige Steuerglied
elastisch verformbar ausgebildet wird. Abgesehen davon, daß mit diesen Vaßnahmen
die Abhängigkeit des Aussteuerbereiches vom P-rereich nur vermindert und nicht vollständig
beseitigt werden kann, ist eine derartige Lösung konstruktiv ungünstig.
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Des weiteren sind nach dem Drehmoment- oder Kraftvergleichsprinzip
arbeitende Regler bekannt, bei denen die Beanspruchung der Druckkörper günstiger
als bei den Wegvergleichsreglern ist und unterschiedliche Federeigenschaften und/oder
Abmessungen der Druckkörper ohne wesentliche Schwierigkeiten kompensiert werden
können, während für die P-Bereichseinstellung aufwendigere Konstruktionen erforderlich
sind0 So muß beispielsweise bei einer sogenannten Balgwaage9 also einem nach dem
Drehmomentvergleichsprinzip arbeitenden Regler, zur P-Bereichsverstellung ein unter
einer Last stehender
Drehpunkt längs eines Waagebalkens verschoben
werden, was offensichtlich mit größeren Herstellungsschwierigkeiten verbunden ist
l's sie ein um einen Punkt schwenkbarer ebe.l bietet, Eine andere Möglichkeit für
die P-Bereichseinstellung besteht in der Verwendung einer sogenannten Druckteilerschaltung,
die jedoch eine nichtlineare tennlinie besitzt, so daß der jeweils eingestellte
Bereich nicht über den ganzen Aussteuerbereich konstant ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regler zu schaffen, bei dem unterschiedliche
Federeigenschaften und/oder tbmessungen der Druckkörper ohne Schwierigkeiten kompensiert
werden können, die Empfindlichkeit unabhängig von dem jeweiligen P-Bereich und dem
Aussteuerbereich ist und für die P-Bereichseinstellung nur konstruktiv einfache
Mittel erforderlich sind. Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen
Regler, erfindungsgemäß durch einen den anderen Teil des Abtastsystems tragenden
oder bildenden Schwenkarm gelöst, der an seinem einen nde dreh- und feststellbar
im Xtirkungsninienschnittpunit am ReglergeEquse angelenkt und an seinem anderen
Ende federelastisch oder gelenkig, den Mittelpunkt der Kreisbogenkontur auf den
Wirkungslinienschnittpunkt zentrierend exzentrisch am Steuerglied befestigt ist.
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Der den einen Teil des Abtastsystems tragende oder bildende Schwenkarm
ist, wie der schwenkbare Hebel bei dem bekannten Kreuzbalgregler, zur Einstellung
des P-Bereiches vorgesehen, so daß offensichtlich für die P-Bereichseinstellung
des erfindungsgemäßen Reglers konstruktiv ebenso einfache Mittel wie bei dem Kreuzbalgregler
vorhanden sind.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird jedoch erreicht, daß die
Bewegungsbahn des Steuergliedes relativ zum Sch.fenkarm in jeder Stellung desselben
die gleiche ist - das Steuerglied bewegt sich mit seinem Mittelpunkt auf einem durch
den Wirkungslinienschnittpunkt gehenden Kreis, dessen rittelpunkt mit dem Befestigungspunkt
von Steuerglied und
Schwenkarm zusammenfällt -, die beiden Teile
des kbtsstsystems, von denen der Schwenkarm das eine und das Steuerglied das andere
trägt oder bildet, also in jeder Stellung des Schwenkarmes zueinander die gleiche
relative age besitzen, so daß der Aussteuerbereich vom jeweils eingestellten P-Bereich
unabhängig und der jeweils eingestellte P-Bereich über den ganzen Aussteuerbereich
konstant ist, Durch die Fesselung des Steuergliedes an den Sckwe^rarm besteht darüber
hinaus die Möglichkeit, unterschiedliche Federeigenschaften und/oder Abmessungen
der Drucrer durch Verändern des P-Bereiches bei entsprechender Ende rung des P-Bereich-Nullpunktes
zu kompensieren. Der erfindungsgemäße Regler vereinigt in sich somit die Vorteile
eines nach dem Wegvergleichsprinzip und eines nach dem Drehmoment- oder Kraftvergleichsprinzip
arbeitenden Reglers, ohne deren Nachteile zu besitzen.
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Das Steuerglied ist am zweckmäßigsten in Form eines offenen oder geschlossenen
Kreisringes ausgebildet. Kreisacheiben- oder kreissektorförmige Steuerglieder können
ebenfalls verwendet werden, sie haben jedoch den Nachteil, d?ß. entweder ihr Gewicht
wesentlich größer als das eines entsprechend bemessenen kreisringförmigen Steuergliedes
ist oder sie bei gleichem Gewicht teurer in der Herstellung sind. Die Verbindung
des Steuergliedes mit dem Schwenkarm erfolgt mittels eines Gelenkes oder, was fertigungstechnisch
besonders günstig ist, mittels einer Blattfeder, die am Schwenkarm und am Steuerglied
festgeklemmt ist. Ebenso besteht die iioglichkeit, den Schwenkarm als Blattfeder
auszubilden, was sich aber nur dann empfiehlt, wenn die Schwenkarmlänge kurz ist,
da sich andernfalls ein erschütterungsempfindlicher kufbau ergeben kann.
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Die U-bertragung des Hubs oder der Auslenkung der be.eglichen Teile
der Druckkörper auf das Steuerglied erfolgt ei einem Regler mit vier Druckkörpern,
beispielsweise Bälgen, deren Wirkungslinien sich ungefähr rechtwinklig schneiden,
und
einem Steuerglied in Form eines offenen oder geschlosseinem Kreisrings am zweckmäßigsten
dadurch, daß der bewegliche Teil jedes Druckkörpers oder ein mit dem jeweiligen
Teil verbundener Stößel unmittelbar mit dem Außenumfang des Steuergliedes in Berührung
steht. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht darin, daß keine Steuerglied
und Druckkörper verbindende Befestigungsmittel benötigt werden. Dies wirkt sich
unter anderem günstig auf die Montage des Reglers aus. Werden dagegen nur zwei Druckkörper
verwendet, beispielsweise ein Differenzdruckkörper für den Ist- und den Sollwert
und ein weiterer Differendruckkörper für die Rückführung, eignet sich ein derartiger
Aufbau wegen der dann ungenügenden Führung des Steuergliedes nicht mehr. Insbesondere
in solchen und ähnlichen Bällen empfiehlt es sich, den beweglichen Teil jedes Druckkörpers
mittelbar oder unmittelbar an einem offenen oder geschlossenen Kreisring zu befestigen,
der das Steuerglied relativ zu diesem verdrehbar umschließt oder von diesem umschlossen
ist. Damit sind die beweglichen Teile der Druckkörper und das Steuerglied in ihrer
Lage zueinander eindeutig fixiert, Diese letzte Ausführungsform kann im übrigen
auch bei Vorhandensein von vier oder mehr Einzeldruckkörpern verwendet werden.
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Die Zuordnung der Teile des Abtastsystems - als Abtastsystem kann
ein übliches Düsen-Prallplatte-System, ein Düsen-Abdecker-System oder ein Strahldüsen-Fangdüsen-System
verwendet werden - zu dem Steuerglied und dem Schwenkarm kann nach Belieben vorgenommen
werden. Als zweckmäßig hat es sich jedoch erwiesen, die Düse bezw. Düsen, also den
schwereren Teil des Abtastsystems am Schwenkarm, vorzugsweise in der Nähe seines
Drehpunktes zu befestigen und die Prallplatte, den Abdecker oder die Fahne dem Steuerglied
zuzuordnen.
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Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer
Darstellung zwei Ausführungsbeispiele enthält,
näher erläutert.
Im einzelnen zeigen Fig. 1 eine Aufsicht auf einen beschalteten Regler mit zwei
Differenzdruckkörpern, Fig, 2 einen Schnitt durch den Regler gemäß Fig. 1 entlang
der Linie I - II und Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Regler mit vier Druckbälgen.
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Wie aus den Piguren 1 und 2 hervorgeht, enthält der Regler zwei Differenzdruckkörper
1 und 2, die jeweils durch eine Membran 3 bezw. 4 in zwei Druckkammern 5 und 6 bezw.
7 und 8 unterteilt sind, Der Druckkammer 5 des Differenz-.
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druckkörpers 1 wird der Istwert w und der Druckkammer 6 der Sollwert
x zugeführt, während die Kammern 7 und 8 des Differenzdruckkörpers 2 für die positive
und negative Rückführung R+ und R vorgesehen sind. Die beiden Membranen 3 und 4
tragen jeweils einen Stößel 9 bezw. 10, dessen Längsachse mit der Wirkungslinie
des jeweiligen Differenzdruckkörpers zusammenfällt. Die Differenzdruckkörper 1 und
2 sind in einer Wirkungsebene so am Gehäuse 11 des Reglers befestigt, daß sich ihre
Wirkungslinien in einem innerhalb des Reglers liegenden Punkt 12 schneiden. Der
Winkel, unter dem sich die Wirkungslinien schneiden, ist bei dem erfindungsgemäßen
Regler an und für sich frei wählbar; um jedoch einen möglichst kompakten Aufbau
zu erhalten und zur Gewährleistung einer leichten Einstellbarkeit der P-Bereiche,
empfiehlt sich ein Winkel von 90°.
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Die freien Ende der Stößel 9 und 10 sind an einem geschlossenem Kreisring
13 angelenkt, der ein kreisringförmiges Steuerglied 14 umschließt und zwar derart,
daß das Steuerglied 14 relativ zum Kreisring 13 gedreht werden kann. Exzentrisch
am Steuerglied 14 ist über eine Blattfeder 15
das eine Ende-eines
Schwenkarmes 16 befestigt, dessen anderes Ende dreh- und feststellbar im Wirkungslinienschnittpunkt
12 am Gehäuse 11 angelenkt ist. Durch den SchweiSãrm 16 erfolgt eine Zentrierung
des Mittelpunktes des reisringes 13 und damit auch desjenigen des Steuergliedes
14 auf den Wirkungslinienschnittpunkt 12.
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Zur Umformung der Positionsveränderung des Kreisringesl3 bezw, des
Steuergliedes 14, die beispielsweise durch eine Abweichung des Istwertes w vom Sollwert
entstanden ist, in ein Drucksignal ist ein Abtastsystem vorhanden, das aus einer
Düse 17 und einer Prallplatte 18 besteht.
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Die Düse 17 sitzt auf einem am drehbar gelagerten Ende des Schwenkarmes
16 quer zur Schwenkarmachse angeordneten Tragarm 19 und ist radial auf die als Trallplatte
18 dienende Innenumfangsfläche eines der beiden Kreisringe 13 bezw. 14 ausgerichtet.
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Je nach Beschaltung des Reglers mit Leitungen, Drosselen und Verstärkern
kann dieser als Kaskadenrelais, PID-Regler oder, wie in vorliegendem Beis;el, als
Pl-Regler betrieben werden. Die Düse 17 ist hierbei einmal über eine Drossel 20
an ein Netz mit konstantem Druck und zum andern über eine Leitung 21 an einen Druckverstärker
22 angeschlossen, der ebenfalls mit konstantem Druck gespeist wird. Die zu einem
nicht gezeichneten Regelventil, Stellzylinder oder dergleichen führende Ausgangsleitung
23 des Verstärkers 22 steht über eine Stichleitung 24 unmittel bar mit der Druckkammer
8 und mittelbar über eine Drossel 25 mit der Druckkammer 7 des Differenzdruckkörpers
2 in Verbindung.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Reglers sei davon ausgegangen,
-daß bei Übereinstimmung von Sollwert x und Istwert w die Mittelpunkte der Kreisringe
13 und 14 konzentrische zum Wirkungslinienschnittpunkt 12 liegen.
Durch
entsprechende Anordnung der Differenzdruckkorper 1 und 2 und geeignete Wahl der
Stößellängen läßt s e:-dies offensichtlich erreichen. In einer derartigen to sition
der Kreisringe 13 und 14 ist der Abstand von t% se 17 und der als Prallplatte 18
dienenden Innenufangsfläcbe des Kreisringes 14 in jeder möglicher zur kellage des
Schwenkarmes 16 zwischen T = 0° und T Ccc, also in jeder P-Bereichseinstellung,
gleich groß.
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Steigt nun der Istwert w aus irgendeinem Grunde an, so wirkt in der
dem Differenzdruckkörper 1 zugeordneten Wirkungslinie eine dem Druckunterschied
zwischen ist wert w und Sollwert x entsprechende Kraft auf den reisring 13 bezw.
das Steuerglied 14. Diese Kraft setzt sich aus zwei Komponenten zusammen und zwar
einer nur in Längsrichtung des Schwenkarmes 16 wirkenden Komponente und einer Komponente,
durch die der Kreisring 13 bezw.
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das kreisringförmige Steuerglied 14 um den Befestigl-.gspunkt 26 geschwenkt
wird. Die Verschwenkung des Steuergliedes 14 hat zur Folge, da3 sich dr Abstand
zwischen Düse 17 und Prallplatte 18 und damit der Druck in der Leitung 21 und entsprechend
in der Ausgangsleitung 23 ändert. Der Stellzylinder oder das Regelventil wird betätigt
und gleichzeitig setzt die negative Rückführung R ein und nach einer durch die Drossel
25 hervorgerufenen Zeitverzögerung auch die positive Rückführung R+ Die von dem
rückführenden Differenzdruckkörper 2 auf den Kreisring 13 ausgeübte Kraft setzt
sich ebenfalls aus zwei Komponenten zusammen, von denen die eine in Längsrichtung
des Schwenkarmes 16 wirkt und die andere eine Rückdrehung des verschwenkten Steuergliedes
14 bezw. des Kreisringes 13 in seine Ausgangslage hervorruft. Da die in Längsrichtung
des Schwenkarmes 16 wirkende-n Kraftkomtonenten jedoch offensichtlich keinerlei
Einfluß auf das Hbtastsystem haben, ist die Bewegungsbahn des Steuergliedes 14 relativ
zum Schwenkarm 16 in jeder Stellung desselben die
gleiche und die
Abstandsänderung zwischen den beiden Teilen des Abtastsystems proportional den auftretenden
Differenzdrücken. Der Aussteuerbereich, d.h. der Bereich zwischen dem kleinsten
und dem größten Abstand zwischen den beiden Teilen des AbtastsystemEs, ist also
vom jeweils eingestellten P-Bereich unabhängig und, da die Lage des Schwenkarmes
16 sich bei der Verschwenkung des Steuergliedes 14 nicht ändert, der jeweils eingestellte
P-Bereich über den ganzen Aussteuerbereich konstant. Schließlich beruht darauf die
Möglichkeit, durch Verschwenken des Schwenkarmes 15 und eine entsprechende Verschiebung
der auf dem Kreisring 13 angeordneten P-Bereichsskala 27 in die entgegengesetzte
Richtung, also durch Verändern der P-Bereichseinstellung bei entsprechender Änderung
des P-Bereich-Nullpunktes, eine Eichung des Reglers vornehmen zu können, so daß
auf die Verwendung ausgewählter Druckkörper verzichtet werden kann.
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In Fig. 3 ist schließlich ein Regler mit vier jeweils um 900 gegeneinander
versetzt in einer Wirkungsebene angeordneten Bälgen 28,29,30 und 31 dargestellt,
von denen die Bälge 28 und 29 mit dem Ist- und dem Sollwert beaufschlagt werden
und die Rückführbälge mit 30 und 31 bezeichnet sind.
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Der bewegliche Teil jedes Balgs steht über einen Stößel unmittelbar
mit dem kreisringförmigen Steuerglied 32 in Berührung, das seinerseits-in Punkt
33 gelenkig mit dem eine Prallplatte 34 tragenden Schwenkarm 35 verbunden ist. Der
Schwenkarm 35 ist im Wirkungslinienschnittpunkt 12 dreh-und feststellbar gelagert.
Die Düse 36 des Abtastsystems ist auf dem Steuerglied 32 befestigt. Das Regelsystem
kann als P-,PI- oder PID-Regler oder dergleichen geschaltet werden. Die Wirkungsweise
ist analog dem oben beschriebenen Regelsystem.
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Der erfindungsgemäße Regler kann auch als Recheneinrichtung für Aufgaben
der Struktur
(A - B + C - D + ;..) = (K - L + M - N + ...) tg T
verwep4iet werden, wobei der linke Klammerausdruck die Summe der auf das Steuerglied
14 wirkenden Differenzdrücke, die von den jeweils auf einer Wirkungslinie liegenden,
mit dem Reglerausgang in Verbindung stehenden Druckkörpern - beispielsweise Druckköruer
in Fig. 1 oder Bälge 30 und 31 in Fig. 3 - herrühren, umfasst und der rechte Klammerausdruck
die Summe der auf das Steuerglied 14 wirkenden Differenzdrücke, die von den jeweils
auf einer Wirkungslinie liegenden, mit dem Reglereingang in Verbindung stehenden
Druckkörpern - Druckkörper 1 in Fig. 1 oder Bälge 28 und 29 in Fig. 3 - herrühren,
und tg # der sogenannte Verstärkungsfaktor ist, der theore-.tisch Werte von Null
bis Unendlich und praktisch von ungefähr 0,001 bis über 1.000 annehmen kann.