DE2116197C3 - Pneumatischer Drosselverstärker - Google Patents

Description

Die Eriindung geht von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 umrissenen Drosselverstärker aus.

In pneumatischen Steuersystemen und Rechnern, die in der Regel mit einer einheitlichen Ausgangs-Druckgröße von 0,2 bis 1,0 kp/cm² arbeiten, werden entweder Drosselverstärker mit Eigenluftverbrauch oder nicht blasende Alternativverstärker eingesetzt, um die häufig sehr geringen Druckimpulse bzw. Kaskadendruckänderungen zu verstärken. Bei derartigen Verstärkern wird eine Eingangsgröße so zur Steuerung einer Hilfsenergie verwendet, daß eine gleichartige, der Eingangsgröße fest zugeordnete Ausgangsgröße von höherem Energieinhalt erhalten wird.

Bei herkömmlichen pneumatischen Drosselverstärkern sind mehrere Druckkammern von einem Gehäuse luftdicht umschlossen, in dessen eine ZuIuItkammer, eine Ausgangskammer und eine Atmosphä renkammer verbindender Zentralbohrung ein längsverschiebbarer Doppclventilkörper angeordnet ist. Zwischen einer Druckkammer, die mit dem zu verstärkenden Hingangsdruck beaufschlagt ist, und der Atmosphären-Druckkammer ist eine diese Kammern abdichtende Membran eingespannt, in deren Mitte ein Ventilkopf des federbelasteten Doppcivcniilkörpers

an-reift Der Eingangsdruck steuert über die Membran die Bewegung des Doppelvenlilkorpers in der Gehäusebohrung, so daß sich zwischen den beiden miteinander durch ein dünnes Mittelstuck verbundenen Ventilköpfen ein verstärkter Ausgangsdruck auf-

haul. Dabei wird der auf die Membran wirkende Eingangsdriick in eine Kraft umgesetzt, die gegen die Federkraft der auf den Doppelventilkorper wirkenden Druckfeder und die elastische Krall dei Membran wirkt. Durch die sich ergebende Üewcgung des Dop-

pelventilkörpers ändern sich die Abstände zwischen den Venlilköpfen und den ihnen zugeordneten Ventilsitzen im Gehäuse. Infolge der in Abhängigkeit son der Größe des Eingangsdrucks aus der Zuluftkammer zum Ausgang und von diesem zur Atmosphärenkam-

mer strömenden veränderlichen Luftnungen ändert sich der Ausgangsdruck des Verstärkers.

Als nachteilig bei bekannten Drosselverstärker!! wird es angesehen, daß sie ein auf beschränkte Druckbereiche festgelegtes Ansprechvermögen aufweisen,

2·; das auf die Ausbildung des Ventilkörpers als Doppelsitzventil zurückzuführen ist. Bei einem die festgelegte Grenze übersteigenden Eingangsdruck schließt der mit der Membran zusammenwirkende Ventilkopf den Strömungskanal zur Atmosphärenkammer, so daß

dann der Ausgangsdruck gleich dem Zuluftdruck ist und in diesen hohen Eingangsdnickbereichen der Verstärker steuerungsunwiiksam ist. Ähnliche Wirkungen treten bei einem übermäßigen Abfall des Eingangsdruckes auf, weil sich dann der Doppelventil-

körper unter der Wirkung der in der Zuluftkammer eingespannten Feder nach aufwärts bewegt und der betreffende Ventilkopf die Strömungsverbindung zwischen der Zuluftkammer und der Ausgangskammer schließt.

Fine Vergrößerung des Ansprechbereiches des Verstärkers kann zwar durch eine größere Steifigkeit der Membrane und der Gegenfeder erreicht werden, jedoch hat dies zwangläufig eine geringere Feinfühligkeit und damit ein verschlechtertes Ansprechvermügen zur Folge.

Ein weilerer Nachteil wird bei den bekannten Verstärkern darin gesehen, daß sie einen bestimmten großen Eigenluftverbrauch haben, der gerade im Hauptwirkungsbereich am größten ist, was unterschiedliche

Ansprechzeiten je nach der Bewegungsrichtung des Doppclventilkörpers zur Folge hat.

Es liegt die Aufgabe vor, den Drosselverstärker der eingangs umrissenen Art gegenüber Bekanntem dahingehend zu verbessern, daß er einen größeren Steu-

erbereich, einen geringeren Eigenluftbedarf in einem

großen Abschnitt seines Steuerbereichs sowie ein in

beiden Bewegungsrichtungen des Doppelventilkör-

peirs gleich gutes Ansprechverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

Kennzeichen des Anspruches ! enthaltenen Merkmale gelöst.

Gegenüber den bekannten Drosselverstärkern, deren Ventilköpfe sich bei bestimmten Druckgrenzwerten auf den ihnen zugeordneten Sitzen dichtend abstützen, hat der erfindungsgemäße Verstärker den Vorteil, daß die Ver.tiiköpfe des Doppclventilkörpers in die zentrale Gehäusebohrung frei eintauchen können, so daß die Verbindung für die Entlüftungsluft

• keiner Stellung abgesperrt wird. Auf Grund der al- ! ·, durch die Kräfte der Membran und der Feder h'cinflußten fliegenden Lagerung des Doppelventilköriwrs kann dieser z. B. kurzzeitigen hchen Einoanesdruckwerten frei folgen, so daß (kr Steuerbecicn eines solchen Verstärkers größer ist. Überdies ^r^_{t bc}j_m erfindungsgemäßen Verstärker das An-'•prechverhalten in beiden Bewegungsrichtungen de λ Ventilkörpers etwa gleich gut. Der Eigenluftbedarf l*serfindungsg:mäßen Verstärkers ist schon deshalb elativ gering, weil die Drosselspaltlänge zur Steuerung der Entlüftungslufl bei Eintauchen des betreff'nden Ventilkopfes in die Gehäusebohrung einen bestimmten uroßen Slrömungswidertand darstellt. ^U Aus der I ISA.-Patentschrift 3 150686 ist ein pneumatischer Druckteiler bekannt, der auf einfache Wi'ise einen einer linearen mechanischen Verschiebung proportionalen Ausgangsdruck erzeigt. Zwi-■ -hen einem Außenrohr und einem Innenrohr ström! das Druckmittel durch einen schmalen ringzylindrischen Spalt. In .'lern einseitig geschlossenen, gegenüber dem Außenrohr verschiebbaren Innenrohr ist eine Bohrung eingearbeitet, die ein Überströmen vom ringzylindrischen Spalt in das Innenrohr zuläßt. Je nach der Position dieser Bohrung gegenüber dem Außenrohr kann ein Abnahmedruck eingestellt wer-

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Drosselverstärker werden vorzugsweise in Verbindung mit Düse-Prallplatte-Systemen eingesetzt, um den Düsenrückdruck in einen im Aussteuerbereich proportional verstärkten Ausgangsdruck umzuwandeln. Zum Ausgleich von sich über den Düsenrückdruck proportional auf den Ausgangsdruck auswirkenden Schwankungen des Zuluftdruckes ist es bekannt, im Verstärker eine zusätzliche Membranfläche vorzusehen, auf der der Zuluftdruck dem Auseangsdruckder Vorstufe entgegenwirkt (deutsche Patentschrift 1 196407). Diese zusätzliche Membranfläche ist so bemessen, daß bei Änderungen des Zuluftdruckes, die zu einer entsprechenden Änderung des Eingangsdruckes führen, eine auf die Hauptmembran wirkende Gegenkraft erzeugt wird, die den Ausgangsdruck des Verstärkers konstant hält.

Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Düse-Prallplatte-System kann eine Kompensation der Schwankungen des Zuluftdruckes nach dem Druck-Flächen-Abgleich erreicht werden, ohne daß jedoch ein zusätzliches Steuerglied erforderlich ist. Durch die mögliche Eintauchbewegung der Ventilköpfe in die Gehäusebohrung kann nämlich die Querschnittsfläche des der Zuluftkammer zugeordneten Ventilkopfes durch entsprechende Bemessung zur Kompensation der Zuluftdruckschwankungen herangezogen werden.

Im folgenden werden verschiedene Ausführungen des erfindungsgemäßen Drosselverstärkers sowie eine bevorzugte Anwendung an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Drosselverstärker,

Fig. 2, 3A bis 3C den Doppelventilkorper des Drosselverstärkers nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung in verschiedenen Betriebsstellungen,

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungen des Doppelventilkörpers,

Fig. 6 eine graphische Gegenüberstellung der Charakteristiken eines bekannten und des erfindungsgemäßen Drosselverstärkers und

Fig. 7 die Anwendung des erfindungsgemäßen Drosselverstärkers in einem Düse-Prallplatte-System. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Drosselverstärker ist in ein Gehäuse 1 eine Membran 2 eingespannt,'die auf einen Doppelventilkorper 3 bis 7 entsprechend dem Eingangsdruck P_n einwirkt. Der Doppelventilkorper besteht aus zwei durch ein dünnes Mittelstück 7 über zwei kegelstumpfförmige Übergänge 4 bzw. 6 verbundenen Ventilköpfen 3 bzw. 5. Eine einseitig von der Membran 2 begrenzte Kammer 8 ist über einen Anschluß mit dem Eingangsdruck P_n beaufschlagt. Der in einer Bohrung 19 im Ventilgehäuse angeordnete Doppelventilkorper wird durch eine in einer Zuluftkammer 9 eingespannte Feder 12 mit seinem Ventilkopf 3 in Richtung der Membran 2 gedruckt. Die Zuluftkammer wird vom Druck P₅ beaufschlagt. In der Ruhestellung befindet sich dabei der sich an der Membran 2 abstützende Ventilkopf 3 in einer von der Membran 2 abgeschlossenen Kammer 11, in der Atmosphärendruck P_A herrscht. Das dünne Mittelstück 7 des Doppelventilkörpers durchragt eine unter dem Ausgangsdruck P₀ stehende, von den Umfangswänden der Gehäusebohrung 19 begrenzte Ausgsngskammer 10.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bestimmt ein Drosselspalt 14, der ringzylindrische Form hat, bei in die Gehäusebohrung eingetauchter Stellung des Ventilkopfes 3 die zur Atmosphärenkammer strömende Leckluftmenge. Bei der in Fig. 3 A gezeigten Betriebsstellung hat sich der gemäß Fig. 2 vorhanden gewesene Spalt 13 zwischen der Kante der Gehäusebohrung 19 und dem kegelstumpfförmigen Übergang 6 zu einem ebenfalls ringzylindrischen Drosselspalt IS verengt, der die aus der Zuluftkammer 9 in die Ausgangskammer 10 strömende Luftmenge bestimmt. Dagegen stellt sich ein gegenüber dem Spalt 13 größerer Ringspalt 16 ein, wenn der Eingangsdruck P_n übergroß ist, wie dies Fig. 3C verdeutlicht. Fig. 3B zeigt die Stellung des Doppelventilkörpers für einen mittleren Betriebszustand.

Der Doppelvenülkörper ist so bemessen, daß die Beziehung d₂ > d, und /i, § Zz₂ erfüllt sind, wobei 45 J₁ der Innendurchmesser, h₂ die Höhe der Gehäusebohrung 19, d_x der Durchmesser der Ventilköpfe 3, 5 und /1, der Abstand der Steuerkanten des Doppelventilkörpers sind.

Wenn sich der Doppelventilkörper in der in den 50 Fig. 2 und3B gezeigtenBetriebsstellungbefindet,hat die Membran 2 den Ventilkopf 3 um einen relativ geringen Betrag in die Gehäusebohrung 19 hineingeschoben. Die Ruhestellung des Doppelventilkörpers ergibt sich immer bei Gleichgewicht der Kräfte der 55 Feder 12 und der Membran 2. Auf diese Weise wird der Ausgangsdruck P₀ in Abhängigkeit vom Eingangsdruck P_n eingesteuert.

Wenn der Eingangsdiruck P_n klein ist, verschiebt sich der Doppelventilkorper durch den auf den Ven-60 tilkopf S wirkenden Zuluftdruck P₅ und die Kraft der Feder 12 in der Bohrung 19 nach aufwärts, wobei sich der Zuluftkanal zum ringzylindrischen Drosselspalt verengt und wobei sich gleichzeitig ein verbreiterter, zur Atmosphärenkammer 11 führender Luftauslaß-65 kanal 18 bildet (Fig. 3A).

Der Eigenluftbedarf des beschriebenen Drosselverstärkers ist außerordentlich gering, weil bei in die Bohrung 19 eintauchenden Ventilkopf 3 der Dros-

selspalt 14 einen relativ großen Strömungswiderstand bildet. Der Eigenluftbedarf kann auf weniger als ein Zehntel desjenigen bekannter Drosselverstärker gesenkt werden. Da sich ferner die Ventilköpfe 3 und 5 frei in der Gehäusebohrung 19 bewegen können, wird der Steuerweg des Doppelventilkörpers, der aus einem Leichtmetall bestehen kann, nur durch die beiden gegeneinanderwirkenden elastischen Elemente, nämlich die Membran 2 und die Feder 12, begrenzt, wobei die Verschiebung des Doppelventilkörpers selbstverständlich stets proportional dem Eingangsdruck P_n bleibt. Da außerdem die Luftleckmenge unabhängig vom Anstieg oder Abfall des Eingangsdrucks P_n annähernd konstant bleibt, ist die Ansprechgeschwindigkeit des Drosselverstärkers unabhängig von der Bewegungsrichtung des Doppelventilkörpers.

Fig. 6 zeigt ein Kennlinien-Diagramm eines bekannten und des oben beschriebenen Drosselverstärkers. In diesem Diagramm sind Q₀ die aus der Ausgangskammer 10 abströmende Luftmenge, Q_A die über den Drosselspalt 14 aus der Atmosphärenkammer 11 abströmende Lufimenge, die den Eigenluftverbrauch darstellt, A eine Kennlinie der Beziehung zwischen dem Eingangsdruck P_n und der Ausgangs-Luftmenge Q₀ bei dem bekannten Drosselverstärker, B eine Kennlinie der Beziehung zwischen P_n und Q₀ beim beschriebenen Verstärker, α eine P_N-Q_A-Kur\e des bekannten Verstärkers und b die P_w-ß^-Kurvc des beschriebenen Verstärkers. Die Kennlinie A gibt an, daß die Ausgangs-Luftmenge Q₀ auch dann nicht zunimmt, wenn P_n einen bestimmten Wert übersteigt, und daß der durch die Luftmenge Q_A bestimmte Eigenluftverbrauch bei einem bestimmten Eingangsdruck P_n, bei dem der bekannte Ventilkörper auf einem seiner Sitze dichtend aufsitzt, nuli ist.

In den Fig. 4 und 5 sind andere Ausführungen des Doppelventilkörpers dargestellt, der gemäß Fi g. 4 aus zwei zylindrischen Ventilköpfen 23, 25 besteht, die über einen jeweils abgerundeten Übergang 24,26 mit dem dünnen, hier sehr kurzen Mittelstück 27 verbunden sind. Bei der Ausführung nach Fig. 5 besteht der Ventilkörper aus einem einstückigen Bauteil, das durch eine einseitige, von schrägen Übergängen 34,

36 begrenzte Ausnehmung in einen oberen und einen unteren verbreiterten Teil, welche Teile die Ventilköpfe 33 und 35 bilden, und in ein dünnes Mittelstück

37 unterteilt ist.

In Fig. 7 ist der Drosselverstärker nach Fig. 1 mit einem Düse-Prallplatte-System gekoppelt. Über eine Zuluftlcitung 58 wird die Kämmet 9 des Verstärkers mit dem Zuluftdruck P₅ beaufschlagt und der Ventil-

kopf 5 belastet. Eine Nebcnleitung mit einer Drossel 57 zweigt von der Zuluftleitung 58 ab und führt über eine Leitung53 zu einer Düse 54, über die eine Prallplatte 56 angeströmt wird. Der Düsenrückdruck bildet über die Leitung 51,52 den Verstärkereingangsdruck

ίο P_n,mit dem die Membran 2 in der Kammer 8 belastet wird. Eine Abstandsänderung der angeströmten Prallplatte von der Düse 54 führt zu entsprechenden Änderungen des Eingangsdruckes P_n und entsprechend des Ausgangsdruckes P₀.

Änderungen des Zuluftdruckes P_s werden bei diesem System durch geeignete Querschnittsbemessung des Ventilkopfes 5 kompensiert, so daß der Ausgangsdruck P₀ konstant bleibt. Eine Erhöhung des Zuluftdruckes P₅ um den Betrag AP₅ führt im Aus-

ao Steuerbereich bd feststehender Prallplatte 56 zu einer proportionalen Änderung AP_n des Eingangsdruckes P_n. Dieser Druckanstieg AP_n multipliziert mit der Fläche der Membran 2 ergibt eine Kraft, die ohne Kompensation eine Bewegung des Ventilkopfes 5 in

as Öffnungsrichtung zur Folge hätte, so daß der Ausgangsdruck P₀ gleichfalls um den entsprechenden Faktor verstärkt ansteigen würde. Bei dem dargestellten Drosselverstärker wirkt dieser Bewegung des Ventilkopfes 5 eine Kraft entgegen, dei gebildet ist

aus der Druckdifferenz AP₅ multipliziert mit der Querschnittsfläche des Ventilkopfes 5. Hierbei ist die Querschnittsflächc des Ventilkopfes 5 so bemessen, daß beispielsweise bei einem Anstieg AP₅ des Zukiftdruckes P₅ der Ventilkopf um einen entsprechenden

Betrag in Schließstellung bewegt wird, so daß der erhöhte Zuluftdruck kompensiert und der Ausgangsdruck P₀ konstant gehalten wird. Als Bemessungsgrundlage gilt die Gleichung

F_K/Ft = AP_nZAP₅,

worin noch F_K die Querschnittsfläche des Ventilkopfes 5 und F₁₄ die Fläche der Membran 2 sind. Diese Gleichung besagt, daß das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche F_K des Ventilkopfes 5 zur wirksamen Membranfläche F_M gleich dem durch entsprechende Ausbildung der Drossel und der Düse zu bestimmenden Verhältnis von Eingangsdruckänderungen zu Zuluftdruckänderungen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Pneumatischer Drosselverstärker mit einem sämtliche Steuerkammern umschließenden Gehäuse und mit einem längsverschiebbaren Doppelventilkörper, der eine zentrale Gehäusebohrung des Verstärkers durchsetzt, zwischen einer vom Eingangsdruck beaufschlagbaren Membrane und einer in der Zuluftkammer angeordneten Feder eingespannt ist und mit seinen beiden Ventilköpfen die Zuluftzufuhr und entsprechend die Abfuhr der Entlüftungsluft zur Bildung des jeweiligen Ausgangsdruckes beherrscht, dadurch gekennzeichnet,daß der Doppelventilkörper unter Bclassung von ringzylindrischen Drosselspalten (14, 15) zwischen dem Mantelumfang seiner zylindrisch ausgebildeten Ventilköpfe (3, 5; 2'.3. 25; 33, 35) und der Wandung der zentralen Gehäusebohrung (19) in dieser verschiebbar ist.

2. Drosselverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Ventilköpfe (3, 5) über je einen kegelstumpfförmigen Übergang (4, 6) mit dem dünnen, zylindrisch ausgebildeten Mittelstück (7) des Doppelventilkörpers verbunden sind.

3. Drosselverstärker nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge (24, 26) zwischen den zylindrischen Ventilköpfen (23, 25) und dem dünnen Mittelstück (27) des Doppelventilkörpers abgerundet sind.

4. Drosselverstärker nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß schräge Übergänge (34, 36) zwischen den zylindrischen Ventilköpfen (33, 35) und dem dünnen Mittelstück (37) des Doppelventilkorpers an diesem eine einseitige Ausnehmung begrenzen.

5. Anwendung eines Drosselverstärkers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei einem Düse-Prallplatte-System, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkopf (5) bezüglich seiner größten Querabmessung so dimensionier! ist, daß Zu.luftdruckänderungen weitgehend vermieden sind.