DE2264220A1 - Elektropneumatischer signalwandler - Google Patents

Description

PATENTANWALT München, den 30. Dezember 1972

.b.& E. F. ElTNEF-! ₍₃₅6)

Tel. (0811) 852821

Tat

SAMSON APPARATEBAU AG., Frankfurt am Main, Weismüllerstraße 3

Elektropneumatischer Signalwandler

Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Signalwandler mit einem auf elektrische Eingangssignale ansprechenden elektrischen Meßgerät und einem von letzterem gesteuerten, den elektrischen Eingangssignalen analoge pneumatische Signale erzeugenden pneumatischen Gerät.

Es ist bekannt, solche Signalwandler als Kuppelglieder zwischen den elektrischen und den pneumatischen

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Geräten- eines Regelkreises anzuordnen. Die bekannten Signalwandler arbeiten im allgemeinen nach dem Kraftkompensationsprinzip, wobei an einem Waagebalken das Drehmoment des elektrischen Meßgerätes gegen das Drehmoment eines von den pneumatischen Ausgangssignalen beaufschlagten Druckaufnehmers ausgewogen oder der pneumatische Antrieb eines Stellgliedes über eine Feder mit de'¹. Waagebalken verbunden ist. Diese Wandler arbeiten verhältnismäßig langsam und erfordern wegen der unterschiedlichenEigenfrequenzen ihrer gekuppelten Geräte, Hebelsysteme usw. komplizierte Dämpfungsmittel. Auch sind sie gegen äußere mechanische Einflüsse sehr empfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen Signalwandler zu schaffen, welcher gegen solche äußeren mechanischen Einflüsse wie Schv7ingungen, Stöße, Beschleunigungen und sonstige Störungen weniger empfindlich ist. Außerdem soll der Wandler hohe Grenzfrequenzen aufweisen und mit möglichst kleinen Laufzeiten arbeiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das elektrische Meßgerät ein sich proportional der Größe der elektrischen Eingangssignale bewegendes Steuerglied aufweist, dessenWege von einempneumatischen

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Nachlaufgerät ohne mechanische Berührung des Steuergliedes rein pneumatisch abgetastet und in den abgetasteten Wegen proportionale Drücke umgewandelt werden.

Das elektrische Meßgerät besteht zweckmäßig aus einem federgefesselten Ausschlagsystem, dessen Ausschläge der Größe der elektrischen Eingangssignale proportional sind. Die Abtastung dieser Ausschläge kann z.B. durch ein an sich bekanntes Blas- und Fangdüsensystem erfolgen. Vorzugsweise wird hierfür ein Düse-Prallplatten-System verwendet, wobei das ausschlagende Glied des elektrischen Meßgerätes z.B. die Prallplatte trägt. Wesentlich ist in jedem Fall, daß das elektrische Meßgerät mit dem pneumatischen Abgriff sxystem nicht mechanisch gekuppelt ist.

Das elektrische Meßgerät arbeitet erfindungsgemäß vorteilhaft mit einem Tauchspul- oder einem Kernmagnetsystem. Dabei erhält man im Gegensatz zu den bekannten, nach dem Kraftkompensationsverfahren arbeitenden Wandlern so große Wege, daß die bei solchen Spulsystemen auftretende Wirbelstromdämpfung zur Dämpfung des Gerätes ausgenutzt werden kann. Das System kann verhältnismäßig massearm ausgebildet werden und wird erfindungsgemäß statisch und dynamisch ausgewuchtet bzw,

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indifferent gemacht. Dadurch wird das System weitgehend unabhängig von äußeren mechanischen Einwirkungen und erhält sehr günstige dynamische Eigenschaften.

Weitere Erfindungsmerkmale sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und in den einzelnen Patentansprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen beispielsweise veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt schematisch teils in Seitenansicht,

teils im Schnitt einen elektropneumatischen Signalwandler mit ftxxfc Tauchspulmagnetsystem und pneumatischem Nachlaufgerät,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Variante des Signalwandlers nach Abb. 1, bei der anstelle des Tauchspulmagnetsystems ein Kernmagnetsystem verwendet wird,

Fig. 3 zeigt schematisch teils in Seitenansicht, teils im Schnitt eine weitere Ausführungsform des Signalwandlers mit Tauchspulmagnetsystem und pneumatischem Stellglied mit Rückführung,
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Fig. 4 zeigt schematisch eine Variante des Signalwandlers nach Abb. 2, bei der anstelle des Tauchspulmagnetsystems ein Kernmagnetsystem verwendet wird, und

Fig. 5 zeigt schematisch teils in Seitenansicht,

teils im Schnitt einen elektropneumatischen Signalwandler mit Tauchspulmagnetsystem und pneumatischem Naclilaufwerk ähnlich Ate Fig. 1 als Einschubgerät ausgebildet.

Der in Fig. 1 dargestellte Signalwandler besteht aus einem elektrischen Meßgerät (linke Hälfte der Fig. 1) und einem pneumatischen Nachlaufgerät (rechte Hälfte der Fig. 1), welche der Übersichtlichkeit halber nebeneinander gezeichnet sind. Beide Geräte sind auf einem gemeinsamen, einteiligen Chassis 1 angeordnet, um die Stabilität und die Unempfindlichkeit der Einrichtung gegen äußere Einwirkungen, z.B. Erschütterungen od.dgl. zu vabessern.

Das elektrische Meßgerät arbeitet gemäß Fig. 1 mit einem Tauchspulmagnetsystem, welches aus einem permanenten Glocken- oder Topfmagneten 2 st und einer in diesem beweglichen Tauchspule 5 besteht. Der Glockenmagnet 2 sitzt ortsfest in dem Chassis 1. Die mit

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Anschlußleitungen 4, 5 zur Zuführung der elektrischen Eingangssignale verbundene Tauchspule 3 ist an dem einen Hebelarm eines doppelarmigen Steuerhebels β befestigt, der um ein auf dem Chassis 1 eingespanntes Federgelenk 7 schwenkbar gelagert ist. Der Steuerhebel 1 ist durch eine zwischen der Tauchspule 3 und dem Federgelenk 7 an ihm angreifende Meßfeder 8 gefesselt. Der andere, freie Hebelarm des Steuerhebels 6 trägt die Prallplatte 9 eines pneumatischen Abtastsystems bekannter Art.

Das pneumatische Nachlaufgerät arbeitet mit einem doppelarmigen Rückführhebel 10, welcher um ein ebenfalls auf dem Chassis 1 eingespanntes Federgelenk 11 schwenkbar gelagert ist. Bei der praktischen Ausführung des Signalwandlers ist es vorteilhaft, die Geräte bzw. Hebel so anzuordnen, daß die Drehpunkte der Federgelenke 7 und 11 koaxial liegen, wodurch man eine besonders kleine, nichtlineare Verzerrung erhält. Der unter die Prallplatte 9 ragende Hebelarm desJRückführhebels 10 trägt die Düse 12 des pneumatischen Abtastsystems. Der gegenüberliegende Hebelarm des Rückführhebels 10 steht Mti unter der Wirkung eines Rückführbalges 13 und einer zwischen letzterem und dem Federgelenk 11 angreifenden Meßfeder Ik, Der Kaskadendruck der Düse 12 wird in an

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sich bekannter Weise von einem pneumatischen, bei 15 mit Hilfsenergie gespeisten Verstärker 16 abgegriffen, welcher über die Druckmittelleitung 17 mit der Düse 12 verbunden ist. Der Ausgangsdruck des Verstärkers 16 wird durch die Leitung 18 der Ausgangssignalleitung 19 und gleichzeitig durch die Zweigleitung 20 dem RückfUhrbalg I5 zugeführt.

Um bewegliche elektrische Zuleitungen zu vermeiden, kann vorteilhaft anstelle des Tauchspulmagnetsystems ein Magnetkernsystem für das elektrische Meßgerät verwendet werden. Wie Fig. 2 zeigt, ist in diesem Falle eine Spule 21 ortsfest auf dem Chassis 1 angeordnet, während ein in diese Spule eintauchender X Kernmagnet 22 an dem Steuerhebel 6 befestigt ist. Die Bauart des Gerätes wird dadurch erheblich vereinfacht. Außerdem wird die Beweglichkeit des Steuerhebels 6 nicht durch die elektrischen Zuleitungen zu der Spule 21 beeinträchtigt.

Sowohl für den Glockenmagneten 2 des Tauchspulsystems als auch für den Kernmagneten 22 des Magnetkernsystems kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung anstelle des bisher üblichen Alnico-Werkstoffes ein Dauermagnetwerkstoff der Klasse "Kobalt-Seltene Erden" bzw. eine Legierung des Kobalts mit Seltenen. Erdmetallen verwendet werden, wie sie von

F. Hofer in der Zeitschrift für angewandte Physik, 409828/0087 _Q

Band JO, Heft 1, 1970, Seiten 26 - 32 oder von K. Bachmann in einem Vortrag beim "internationalen Symposium über Eigenschaften elektrisch leitender, magnetischer Materialien" vom 21./22. Juni 1971 in Baden-Baden beschrieben worden sind. Dadurch kann bei gleichen Tauchspulabmessungen das Drehmoment des elektrischen Systems vergrößert oder bei gleichbleibendem Drehmoment die Tauchspule kleiner und damit masseärmer gemacht werden. Abgesehen von einer Verkleinerung der Bauform wird hierbei auch das dynamische Verhalten des Systems erheblich günstiger. Eine entsprechende Verringerung der bewegten Massen und eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften erreicht man ebenso bei dem Magnetkernsystem durch die Verwendung des genannten neuen Dauermagnetwerkstoffes.

Bei dem vorstehend beschriebenen Signalwandler tastet der Druckmittelstrahl der Düse 12 des pneumatischen Nachlaufgerätes den Ausschlag des elektrischen Meßgerätes an der Prallplatte 9 ohne mechanische Berührung und praktisch rückwirkungsfrei ab. Der Kaskadendruck der Düse wird durch den pneumatischen Verstärker 16 abgegriffen, welcher die den elektrischen Eingangssignalen analogen bzw. proportionalen pneumatischen Ausgangssignale abgibt, welche z.B. zur Steuerung eines pneumatischen Reglers dienen.

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Wenn der Signalwandler in einem Regelkreis zwischen einem elektrischen Regler und einem pneumatischen Stellglied liegt, so wird er zweckmäßig an dem pneumatischen Stellantrieb angeordnet. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 veranschaulicht. Das elektrische Meßgerät mit dem Tauchspulmagnetsystem entspricht demjenigen gemäß Pig. I. Bei dem pneumatischen Nachlaufgerät entfallen aber der Rückführbalg und die zugehörige Meßfeder. Die Düse 12, welche die Prallplatte 9 abtastet, ist hier an einem um das Federgelenk 11 schwenkbaren Rückführhebel 23 befestigt, welcher mit dem Stellglied 24 gekuppelt ist. Die Ausgangsdrucksignale des pneumatischen Verstärkers 16 werden durch eine Druckmittelleitung

25 unmittelbar dem pneumatischen Stellantrieb des Stellgliedes 24 zugeführt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel besteht dieser Stellantrieb aus einem Membrangehäuse 26, in welchem eine Arbeitsmembran 27 eingespannt ist. Die Arbeitsmembran 27 wird von dem aus der Leitung 25 in den Impulsraum 28 des Membrangehäuses

26 eindringenden Ausgangsdruck des Verstärkers 16 entgegen der Wirkung von Federn 29 beaufschlagt und bewegt das Stellglied 24. Der Weg des Stellgliedes 24 bzw. eines von diesem betätigten. Ventils od.dgl. ist auf diese Weise analog bzw. proportional der Größe der elektrischen Eingangssignale des Signalwandlers.

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.Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung
kann gemäß Fig. 4 ein Kernmagnetsystem mit ortsfester Spule 21 und beweglichem Magneten 22 anstelle des
Tauchspulmagnetsystems verwendet werden.

Eine weitere Ausführungsform des Signalwandler gemäß der Erfindung zeigt Fig. 5· Diese entspricht
prinzipiell der Ausführung gemäß Fig. 1, ist aber als kompaktes Einschubgerät z.B. für 19"-Einschubsysteme ausgebildet. Der Steuerhebel 30 des elektrischen Meßgerätes ist hierbei über das pneumatische Nachlaufgerät hinaus verlängert, um einen längeren Hebelarm für den Ausschlag der Prallplatte 9 zu erhalten. Der
Rückführhebel 31 ist umgekehrt als in Fig. 1 angeordnet, wodurch die Abmessungen des Gerätes .verkleinert
werden. Im übrigen ist es auch hier praktisch zweckmäßig, die Drehachsen der Federgelenke 7 und H* welche in Fig. 5 der Deutlichkeit halber nebeneinanderliegend gezeichnet sind, koaxial anzuordnen. Das
Chassis 1 hat an der hinteren Stirnseite des Einschubgerätes eine Stirnwand 32, an der die elektrischen
und pneumatischen Anschlüsse als Stecker 33 bzw. 3^
zum Einstecken in die entsprechenden Zu- und Ableitungen der Gesamteinrichtung eines Reglers od.dgl. ausgebildet sind. Der Stecker 33 enthält die Kontakte der elektrischen Leitungen 4 und 5 für die Tauchspuie 3.

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Der Stecker 34 enthält die Rohranschlußstöpsel für die Zuführung der Hilfsenergie und die Abführung der Ausgangsdrucksignale. Die Wirkungsweise dieses Einschubgerätes entspricht derjenigen des Signalwandlers gemäß Fig. 1.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung nur schematisch veranschaulichten Ausführungsformen, sondern sie umfaßt alle Varianten im Rahmen der wesentlichen Erfindungsmerkmale.

Ansprüche

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Claims (21)

Patentansprüche;

1.) Elektropneumatischer Signalwandler mit einem auf elektrische Eingangssignale ansprechenden elektrischen Meßgerät und einem von letzterem gesteuerten, den elektrischen Eingangssignalen analoge pneumatische Signale erzeugenden pneumatischen Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Meßgerät ein sich proportional der Größe der elektrischen Eingangssignale bewegendes Steuerglied aufweist, dessen Wege von einem pneumatischen Nachlaufgerät ohne mechanische Berührung des Steuergliedes rein pneumatisch abgetastet und in den abgetasteten Wegen proportionale Drücke umgewandelt werden.

2. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Wege des Steuergliedes mittels eines pneumatischen Düsensystems erfolgt.

3. Signalwandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Wege des Steuegliedes mittels eines pneumatischen DUse-Prallplatte-Systems (12, 9) erfolgt.

4. Signalwandler nach Anspruch 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaskadendruck der Düse (12) in an sich bekannter Weise mittels eines mit Hilfsenergie arbeitenden

pneumatischen Verstärkers (16) abgegriffen wird, dessen 409828/0087

Avisgangsdrücke den elektrischen Eingangs Signalgrößen proportional sind.

5· Signalwandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsdrücke des pneumatischen Verstärkers (l6) als pneumatische Signale den Ausgang (19) des Wandlers verlassen (Fig. 1).

6. Signalwandler nach Anspruch 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsdrücke bzw. -signale dem Rückführbalg (13) einer Rückführeinrichtung des pneumatischen Düsensystems zugeführt werden (Fig. 1).

7. Signalwandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsdrücke des pneumatischen Verstärkers (16) dem pneumatischen Stellmotor (2β - 28) eines Stellgliedes (24)oder Reglers, Regelventils od.dgl, zugeführt werden (Fig. 3)·

8. Signalwandler nach Anspruch 1 bis 4 und 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung des pneumatischen Düsensystems von dem Stellglied (24) betätigt wird.

9. Signalwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied

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des elektrischen Meßgerätes aus einem elektromagnetisch verschwenkbaren, durch eine Meßfeder (8) gefesselten Steuerhebel (6) besteht, dessen Ausschläge von dem pneumatischen Düsensystem abgetastet werden.

10. Signalwandler nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerhebel (β) von der beweglichen Tauohspule (3) eines Tauchspulmagnetsystems bewegt wird (Fig. 1 bzw. 3).

11. Signalwandler nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerhebel (o) von dem beweglichen Kernmagneten (22) eines Kernmagnetsystems bewegt wird (Pig. 2 bzw. 4).

12. Signalwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das freie, ausschlagende Ende des Steuerhebels (6) die Prallplatte (9) des pneumatischen DUse-Prallplatten-Systems (12, 9) trägt, dessen Düse (12) an dem pneumatischen Nachlaufgerät angeordnet ist.

13. Signalwandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet des elektromagnetischen Meßgerätes aus einem Magnetwerkstoff der Klasse Kobalt-Seltene Erden besteht.

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14. Signalwandler nach Anspruch 1 bis ^yyi*»^ β bzw. 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) des Düse-Prallplattensystems (12, 9) von dem freien Ende eines durch eine Meßfeder (14) gefesselten Rückführhebels (10) des pneumatischen Nachiaufgerätes getragen wird (Pig. I oder 5).

15. Signalwandler nach Anspruch 1 bis 4, 7* 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) des Düse-Prallplattensystems (12, 9) von dem freien Ende eines mit dem Stellglied (24) gekuppelten RückfUhrhebeis (23) des pneumatischen Nachlaufgerätes, Reglers od.dgl. getragen wird (Fig. 3).

16. Signalwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen des Steuerhebels (6) des elektrischen Meßgerätes

und des Rückführhebels (10; 23) des pneumatischen Nachlaufgerätes bzw. Stellgliedes koaxial angeordnet sind.

17» Signalwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgelenke des Steuerhebels (6) und des RückfÜhrhebels (10; ±23) aus Federgelenken (7; 11) bestehen.

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18. Signalwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Meßgerät statisch und dynamisch ausgewuchtet ist.

19. Signalwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Meßgerät und das pneumatische Nachlaufgerät auf einem gemeinsamen, einteiligen Chassis (l) angeordnet sind.

20. Signalwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 19i dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse des elektrischen Meßgerätes und die pneumatischen Anschlüsse des pneumatischen Nachlaufgerätes als Steckverbindungen für Einschub- oder Baukastensysteme od.dgl. ausgebildet sind (Fig. 5)·

21. Signalwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Steuerhebel» (50) des elektrischen Meßgerätes über das pneumatische Nachlaufgerät hinaus erstreckt (Fig. 5)·

SAMSON APPARATEBAU AG. vertreten durch:

(Edmund F.EiMker) Patentanwalt

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