DE2253457C3

DE2253457C3 - Fluidischer Signalverarbeitungs-Kreis

Info

Publication number: DE2253457C3
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: 1978-12-21
Also published as: GB1402279A; JPS4861868A; US3835876A; IT973586B; DE2253457B2; FR2160586A1; AU4736672A; JPS5372087U; FR2160586B1; ZA727111B; CA962600A; JPS5647375Y2; DE2253457A1; AU466512B2

Description

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

Ein derartiger Signal verarbeitungskreis 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 Signalverarbeitungskrcis beschrieben, der eine Mehr zahl als Schalter betriebener fluidischer Verstärker aufweist. Die Zufuhr von Hilfsströmungsmittel zu diesen Verstärkern und das Abführen von Hilfsströmungsmittel von denselben erfolgt jeweils über eine verändern ehe Drossel. Dieser bekannte Signalverarbeitungskreis stellt eine fluidische Digitalisierungsschaltung für pneumatische Signale dar.

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

Durch die Erfindung soll daher ein fluidischer Signalverar'oeitungskreis 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 erfindiifigsgemäß gelöst durch einen Signalverarbeitungskreis mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen,

Bei dem erfindungsgemäßen Signalverarbettungs*

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60 kreis hat man weiter hohen Eingangswiderstand und hohe Empfindlichkeit im Proportionalbereich. Zugleich wird aber eine Übersteuerung bei sehr großen Steuersignaländerungen vermieden, die bisher in Regelanlagen, bei denen eine derartige Obersteuerung nicht in Kauf genommen werden kann, die Verwendung wenig empfindlicher Signalverarbeiuingskreise erforderlich machte. Anders gesagt: Der erfindungsgemäße fluidische Signalverarbeitungskreis eignet sich gut zur 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) eiforderlich sein. Zur Einstellung derartiger Grenzwerte sind auch schon fluidische Widerstände aufweisende Druckteünefzv/erke 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 Strömungsmitidspeicher und fluidische TemperaUh fühler führen bei der Begrenzung des Eingangssignals zu verschiedenen Problemen, die 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 Weise einstellen. Die Nadelventile sind zugleich klein und kompakt, wie dies bei Fluidikelementen erwünscht ist.

Wird unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Signalverarbeitungskreises ein fluidischer Regler aufgebaut, so kann der Signalverarbeitu,.fskreis zwischen einen Fühler und eine Regelschaltung oder /wischen eine Regelschaltung und ein Stellglied geschaltet werden, wobei im ersteren Falle der F'ühler auf die /ti regelnde Variable oder auf eine veränderliche Bezugs größe ansprechen kann (vgl. die I Interansprüche 3 — 5).

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

Γ ι g. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausfüh rungsform eines fluidischen Signalverarbeitungskreises.

f ι g 2 einen ähnlichen Schnitt wie Fig. 1. wobei eine zweite Ausführungsform des Signalverarbeitungskrei ses gezeigt ist. und

^ri g. J ein Blockdiagramm einer Regelung, die mehrere Signalverarbeitungskreise nach F ι g. 1 auf weist.

In der Fig. I wird der einer Last 1 /ugeführte Fluiddruck in Abhängigkeit von dem Fluidausgangssi gnal einer Signalquelle 2 gesteuert. Zwischen die Last 1 und eine Hauptquelle 4 für Druckmittel ist ein 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 Druckgrenzwert gesteuert wird. Obwohl die Hauptquelle 4 und die Signalquelle 2 vorzugsweise mit Luft beschickt sind, kann natürlich jedes andere geeignete Fluid verwendet werden,

Der obere Grenzwert wird durch die Steuerung der direkt über einefi Auslaß 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 eine 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 Zufuhrkana! 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 ■"> Gewindegän^en 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.

Fin L-förmiger Kanal 18 verbindet die Abströmdüse 10 mit dem Auslaß 6; der L-förmige Kanal ist an der Ab/wcgungsstelle seines sich seitlich erstreckenden Abschnittes mil einer kalibrierten Bohrung 17 versehen. Ein dem Nadelventilkorper 15 entsprechender Ventil korper 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 ausgerirhtet ist

Nach dem Hinstellen 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 «> 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 f>> minimale Ausgarigsdruck 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 Eingangssignaldrücke 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 ! (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. r'olge eines Abfalls des Eingangssignaldruckes, zu einerr? erhöhten Abs'ro men von Luft aus der Haupiquelle über die Abströmdüse 10. wodurch das Ausgangssignal verkleinert wird. Damit ändert sich der Ausgangsdruck in derjelben 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 Fig. 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 Hauptqnelle. 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 ι g. 3 stellt eine geregelte Variable 25 den Eingangstell der Signalquelle 2 dar, deren Ausgang rrv einem Sensor 26 zur Erfassung des Zustandes oder der Lage der geregelten Variablen verbunden ist. Der Sensor 26 erzeugt en pneumatisches Ausgangssignal, das in direkter Beziehung zu der Variablen steht. Der Sensn- 26 ist somit irgendeine geeignete Einrichtung, wie ein Sender. Thermostat o'ier Wandler, der die geregelte Variabit, wie Temperatur, feuchtigkeit, Durchflußmenge, elekirische Spannung, elektrischer Widerstand, in rinen entsprechenden pneumatischen Druck umwandelt

Wenn die geregelte Variable 25 ein pneumatischer Druck ist. der in den Bereich des zugeordneten Reglers 28 fällt, kann der Sensor 26 in Fortfall kommen.

In def Fig.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, Integralion und/oder Differenzierung der Eingangssignale ausführt. Mehr als ein einziges Eingangssignalpaar kann dem Steuergerät zugeführt werden, und jedes Paar kann mehrere Abfühl-, Wandler- und Begrenzerelemente aufweisen.

Mit diesem System kann weiterhin eine verknüpfte Regelung zwischen mehreren Eingangssignalen erreicht werden. So kann der Alisgangsbereich der Hauptvariablen, die den Betrieb des Steuergerätes effektiv neu einstellen und ändern kann, auf Maximal- und Minimalhauplvariablerisignäle begrenzt werden. Andererseits kann die geregelte Variable natürlich auch verschiedenen Reglern zugeführt.werden. So kann einer einen oberen Grenzwert und ein anderer einen unteren Grenzwert erförderlich 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 Hilfsströmungsmitte! 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 n.i~h Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitungskreis zwischen eine Regelschaltung (28) und ein Stellglied (31) geschaltet ist.

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