DE2253457B2

DE2253457B2 - Fluidischer Signalverarbeitungs-Kreis

Info

Publication number: DE2253457B2
Application number: DE2253457A
Authority: DE
Inventors: Richard Norman Laakaniemi; Robert Richard Stahl
Original assignee: Johnson Service Co
Current assignee: Johnson Service Co
Priority date: 1971-11-18
Filing date: 1972-10-31
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2253457C3; JPS5372087U; AU466512B2; JPS4861868A; FR2160586B1; JPS5647375Y2; FR2160586A1; DE2253457A1; ZA727111B; AU4736672A; GB1402279A; CA962600A; IT973586B; US3835876A

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidischen Signalverarbeitungskreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Signalverarbeitungskreis ist in der DE-OS 16 73 609 beschrieben. Er erzeugt in der mit der Last verbundenen Leitung stets einen Druck, der dem der Steuerkammer zugeführten pneumatischen Steuersignal proportional ist.

In der US-PS 35 40 477 ist ferner ein fluidischer Signalverarbeitungskreis beschrieben, der eine Mehrzahl als Schalter betriebener fluidischer Verstärker aufweist. Die Zufuhr von Hilfsströmungsmittel zu diesen .Verstärkern und das Abführen von Hilfsströmungsmittel von denselben erfolgt jeweils über eine veränderliche Drossel. Dieser bekannte Signalverarbeitungskreis stellt eine fluidische Digitalisierungsschaltung für pneumatische Signale dar.

Für gewisse Anwendungen in der Regeltechnik ist jedoch weder eine rein proportionale Verstärkung noch eine rein digitale SignaKerarheitung angemessen.

Durch die Erfindung soll daher ein fluidischer Signalverarbeitungskreis geschaffen werden, der innerhalb eines vorgegebenen Steuersignalbereichs proportional arbeitet, unterhalb der unteren Grenze und oberhalb der oberen Grenze dieses Bereiches aber jeweils ein konstantes Ausgangssignal bereitstellt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Signalverarbeitungskreis mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem crfindüngsgcrnäBcn Signalverarbeitungs kreis hat man weiter hohen Eingangswiderstand und hohe Empfindlichkeit im Proportionslbereich. Zugleich wird aber eine Übersteuerung bei sehr großen Steuersignaländerungen vermieden, die bisher in Regelanlagen, bei denen eine derartige Übersteuerung nicht in Kauf genommen werden kann, die Verwendung wenig empfindlicher Signalverarbeitungskreise erforderlich machte. Anders gesagt: Der erfindungsgemäße fluidische Signalverarbeitungskreis eignet sich gut zur

ίο Signalverstärkung in empfindlichen Regelkreisen, bringt aber trotzdem nicht die Gefahr einer Überrege-Jung.

Obere und untere Grenzwerte für fluidische Steuersignale, wie sie von dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungskreis von Drucken, Temperaturen und/oder Durchsatzwerten entsprechenden fluidischen Signalen direkt vor Ort oder an entfernten Plätzen abgeleitet werden, können in zentralen Regelungen mit einer zentralen Regeleinheit (z. B. einem Rechner) erforder-(ich sein. Zur Einstellung derartiger Grenzwerte sind auch schon fluidische Widerstände aufweisende Druckteilnetzwerke der verschiedensten Art vorgeschlagen worden. Die Strömungscharakteristiken dieser Netzwerke beeinflussen aber die Empfindlichkeit der

Regelung, und die Änderungen in der Empfindlichkeit verlaufen nicht linear mit der vorgenommenen Einstellung der Regelung. Auch Strömungsmittelspeicher und fluidische Temperaturfühler führen bei der Begrenzung des Eingangssignals zu verschiedenen Problemen, die

JO bei dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungskreis ausgeräumt sind.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 lassen sich die Grenzen des Proportionalbereichs des Signalverarbeitungskreises auf sehr einfache

^J5 Weise einstellen. Die Nadelventile sind zugleich klein und kompakt, wie dies bei Fluidikelementen erwünscht ist.

Wird unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Signalveraroeitungskreises ein fluidischer Regler aufgebaut, so kann der Signalverarbeitungskreis zwischen einen Fühler und eine Regelschaltung oder zwischen eine Regelschaltung und ein Stellglied geschaltet werden, wobei im erstercn Falle der Fühler auf die zu regelnde Variable oder auf eine veränderliche Bezugsgröße ansprechen kann (vgl. die Unteransprüche 3—5).

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines fluidischen Signalverarbeitungskreises, Fig. 2 einen ähnlichen Schnitt wie Fig. 1, wobei eine zweite Ausführungsform des Signalverarbeitungskreises gezeigt ist, und

F i g. 3 ein Blockdiagramm einer Regelung, die mehrere Signalverarbeitungskreise nach F i g. 1 aufweist.

In der Fig. 1 wird der einer Last 1 zugeführte Fluiddruck in Abhängigkeit von dem Fluidausgangssignal einer Signalquelle 2 gesteuert. Zwischen die Last 1 und eine Hauptqueüe 4 für Druckmittel ist ein

^u0 fluidischer Signalverarbeitungskreis 3 derart geschaltet, daß das an der Last 1 aufgebaute Drucksignal in Abhängigkeit von der .Signalquelle 2 zwischen einem oberen und einem unteren Druckgreni'.wert gesteuert wird. Obwohl die Hauptquelle 4 und die Signalquelle 2

''"' vorzugsweise mit LuIt beschickt sind, kann natürlich jedes andere geeignete Fluid verwendet werden.

Der obere Grenzwert wird durch die Steuerung der direkt über einen. A.uslaß 5 aus der Hauptquelle 4

abströmenden Luftmenge und der untere Grenzwert durch das Einstellen der über den Signalverarbeitungskreis 3 zu einem Auslaß 6 hin abströmenden Luftmenge bestimmt.

Der Signalverarbeitungskreis 3 weist s\ne Membran 7 auf, die zwischen zwei Gehäusebauteilen 8 und 9 eingeklemmt ist und für zwei Kammern 8a und 9a eine gemeinsame Wand darstellt. Die Signalquelle 2 setzt die eine Seite der Membran 7 dem Eingangssignaldruck aus. Koaxial zur Membran 7 ist eine Abströmdüse 10 angeordnet, deren Durchfluß von der Lage der Membran 7 gesteuert wird. Die Abströmdüse 10 ist vorzugsweise mit einer ebenen oberen Endfläche versehen, zu der die Membran 7 in paralleler Ausrichtung gehalten wird. Dieser Ausrichtung wird durch den Ausgangsdruck entgegengewirkt, der der Kammer 9a auf der einen Seite der Membran 7 über einen sich durch das Gehäusebauteil 9 hindurch erstreckenden Ausgangskanal 11 zugeführt wird. Der Ausgangskanal 11 ist zu diesem Zwecke mit der regelbaren Hauptquelle 4 für die Luft über, einen Zufuhrkanal 12 verbunden, in dem ein einstückig mit der Kanalwandung ausgebildeter fester Strömungswiderstand 12a angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Widerstand 12a als eine doppelkonisehe, nach innen ragende Verengung dargestellt, die einen vorgegebenen Maximaldruck bestimmt. Eine Bohrung 13 verbindet den Kanal 12 stromabwärts von dem Strömungwiderstand 12a mit einem Auslaßkanal 14, der mit dem Auslaß 5 verbunden ist. In das Gehäusebauteil 9 ist ein Nadelventilkörper 15 eingeschraubt, der eine kegelförmige Spitze 16 aufweist; der Nadelventilkörper ist mit der Spitze 16 koaxial in die Öffnung der Bohrung 13 hineinbewegbar.

Die kegelförmige Spitze weist einen sehr kleinen Kegelwinkel auf, der vorzugsweise in der Größenordnung von 10° und weniger liegt und mit dem eine Drosselöffnung von 1,6 mm oder weniger erzielt werden kann. Weiterhin ist der Nadelventilkörper 15 mit einem sehr feinen Einstellgewinde von ungefähr 2,5 to Gewindegängen pro Millimeter versehen, um bei der Einstellung des Nadelventilkörpers ein relativ hohes Auflösungsvermögen unter sehr genauer Bestimmung der Durchflußänderung pro Umdrehung des Nadelventilkörpers 15 zu erzielen.

Ein L-förmiger Kanal 18 verbindet die Abströmdüse 10 mit dem Auslaß 6; der L-förmige Kanal ist an der Abzweigungsstelle seines sich seitlich erstreckenden Abschnittes mit einer kalibrierten Bohrung 17 versehen. Ein dem Nadelventilkörper 15 entsprechender Ventilkörper 19 ist in das Gehäuse unter koaxialer Ausrichtung auf die kalibrierte Bohrung 17 eingeschraubt und weist eine kegelförmige Spitze 20 auf, die in entsprechender Weise koaxial mit der kalibrierten Bohrung 17 ausgerichtet ist. "

Nach dem Einstellen des oberen Grenzwertes wird das Eingangssignal in der Kammer 8a auf einen Druck eingestellt, der gleich oder geringer ist als der untere Grenzwert. Der Ventilkörper 19 für die Einstellung des unteren Grenzwertes wird dann selektiv in Richtung auf *>o das Abdichten der kalibrierten Bohrung 17 eingestellt, bis der Ausgangsdruck auf den gewünschten unteren Grenzwert eingestellt ist. Damit wird die Begrenzung der Luftmenge bewirkt, die der Signalverarbeitungskreis 3 abströmen lassen kann, und somit wird der '>"> minimale Ausgangsdpjck eingestellt, der bei dem gegebenen Druck der Hauptquelle 4 erreichbar ist. Wenn die Vorrichtung auf diese Weise mit der Signalquelle 2 verbunden ist, werden entsprechende maximale und minimale Ausgangsdrücke beim Anstehen entsprechender maximaler und minimaler Eingangss'gnaldrücke aufgebaut.

Wenn die Signalquelle 2 einen Eingangssignaldruck zwischen einem solchen oberen und einem solchen unteren Grenzwert aufbaut, arbeitet der Signalverarbeitungskreis als üblicher Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 (Impedanzwandler), bei dem der in der Kammer 9a und damit in dem Ausgangskanal 11 aufgebaute Ausgangsdruck dem in der Kammer 8a aufgebauten Druck entspricht, wie im folgenden beschrieben wird.

Wenn sich der Druck der Signalquelle ändert, tritt an der Membran 7 eine Druckdifferenz auf. Dies führt zu einer Bewegung der Membran 7 von der Abströmdüse 10 fort oder auf diese zu, je nachdem wie der Druckgradient gerichtet ist. Wenn die Membran 7 auf die Abströmdüse 10 zu bewegt wird, beschränkt sie die Abströmmenge und vergrößert damit den Ausgangsdruck. Umgekehrt führt eine Bewegung der Membran 7 von der Abströmdüse 10 fort, z. B. infolge eines Abfalls des Eingangssignaldruckes, zu einem erhöhten Abströmen von Luft aus der Hauptquelle über die Abströmdüse 10, wodurch das Ausgangssignal verkleinert wird. Damit ändert sich der Ausgangsdruck in derselben Richtung wie der Eingangsdruck, bis sich ein neuer Abstand Abströmdüse —Membran eingestellt hat. An diesem Punkt wird über die Membran 7 erneut ein Gleichgewichtszustand aufgebaut, wobei der Ausgangsdruck gleich dem Eingangsdruck ist.

Die F i g. 2 zeigt einen Signalverarbeitungskreis für eine Hauptquelle 4, die entfernt von der Signalquelle 2 angeordnet ist. Eine Verbindungsleitung 21 verbindet den Ausgangskanal 11 des Signalverarbeitungskreises 3 mit einem Bauteil 22 und so mit der Hauptquelle. Die Hauptquelle 4 ist über einen festen Widerstand 23 in einem seitlichen Kanal des Bauteils 22 angeschlossen. Der Zufuhrkanal 12 des Begrenzers 3 ist durch eine Kappe 24 verschlossen, um dieses Zufuhrende abzudichten.

Der Signalverarbeitungskreis 3 gemäß F i g. 2 wird in der oben beschriebenen Weise auf den oberen und unteren Grenzwert eingestellt.

In der F i g. 3 ist eine Regelung in vereinfachter Form dargestellt, bei der drei Signalverarbeitungskreise 3 mit zwei Eingangsleitungen bzw. einer Ausgangsleitung eines Reglers verbunden sind.

In der F i g. 3 stellt eine geregelte Variable 25 den Eingangsteil der Signalquelle 2 dar, deren Ausgang mit einem Sensor 26 zur Erfassung des Zustandes oder der Lage der geregelten Variablen verbunden ist. Der Sensor 26 erzeugt ein pneumatisches Ausgangssignal, das in direkter Beziehung zu der Variablen steht. Der Sensor. 26 ist somit irgendeine geeignete Einrichtung, wie ein Sender, Thermostat oder Wandler, der die geregelte Variable, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Durchflußmenge, elektrische Spannung, elektrischer Widerstand, in einen entsprechenden pneumatischen Druck umwandelt.

Wenn die geregelte Variable 25 ein pneumatischer Druck ist, der in dm Bereich des zugeordneten Reglers 28 fäl!', kann der Sensor 26 in Fortfall kommen.

In der F i g. 3 verbindet ein Meßwertwandler 27, der immer dann benutzt wird, wenn das Ausgangssignal des Signalverarbeitungskreises in eine andere Energieform, wie z. B. eine elektrische Energie, umgeformt werden soll, den Ausgang des Signalverarbeitungskreises 3 mit dem Eingang des Reglers 28.

Der Ausgang des Reglers 28 ist — falls erforderlich über einen Wandler 29 — mit dem Eingang eines Signalverarbeitungskreises 3 verbunden, dessen Ausgang für die Zufuhr eines entsprechenden Eingangssignals mit dem Eingang eines Stellgliedes 31 verbunden ·> ist.

Die Regelung gemäß Fig.3 weist auch eine Hauptvariable 32 auf, die entsprechend der allgemeinen Konstruktionsaufgabe zur Einstellung des Soll-Wertes benutzt wird, auf den die geregelte Variable gehalten werden soll. Die Hauptvariable 32 ist mit dem Regler 28 über einen Sensor 33, einen Begrenzer 3 und — falls erforderlich — über einen Wandler 34 verbunden.

Der Regler 28 ist in Übereinstimmung mit bekannten Konstruktionen so ausgelegt, daß er die gewünschte Addition, Verstärkung, Integration und/oder Differen zierung der Eingangssignale ausführt. Mehr als eil einziges Eingangssignalpaar kann dem Steuergerä zugeführt werden, und jedes Paar kann mehren Abfühl-, Wandler- und Begrenzerelemente aufweisen.

Mit diesem System kann weiterhin eine verknüpft! Regelung zwischen mehreren Eingangssignalen erreich werden. So kann der Ausgangsbereich der Hauptvaria blen, die den Betrieb des Steuergerätes effektiv nei einstellen und ändern kann, auf Maximal- unc Minimalhauptvariablensignale begrenzt werden. An dererseits kann die geregelte Variable natürlich aucf verschiedenen Reglern zugeführt werden. So kann eine: einen oberen Grenzwert und ein anderer einen unterer Grenzwert erforderlich machen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fluidischer Signalverarbeitungskreis, insbesondere zur Verwendung in Regelkreisen, mit einem fluidischen Verstärker, der aufweist: eine durch eine bewegbare Wand abgeschlossene Steuerkammer, eine Einlaßkammer und eine Auslaßkammer für Hilfsströmungsmittel und einen mit der bewegbaren Wand zusammenarbeitenden Ventilsitz, über den die Einlaßkammer und die Auslaßkammer verbindbar sind, und mit einer der Einlaßkammer vorgeschalteten Drossel, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkammer. (12) über eine variable Drosselstelle (13, 16) und die Auslaßkammer über eine zweite variable Drosselstelle (17,20) entlüftet ist.

2. Signalverarbeitungskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variablen Drosselstellen durch Nadelventile gebildet sind.

3. Fluidischer Regler mit einem Signalverarbeitungskreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitungskreis zwischen einen auf die zu regelnde variable ansprechenden Fühler (26) und eine Regelschaltung (28) geschaltet ist.

4. Fluidischer Regler mit einem Signalverarbeitungskreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitungskreis zwischen einen auf eine veränderliche Bezugsgröße ansprechenden Fühler (33) und eine Regelschaltung (28) geschaltet ist.

5. Fluidischer Regler mit einem Signalverarbeitungskreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitungskreis zwischen eine Regelschaltung (28) und ein Stellglied (31) geschaltet ist.