DE2265720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasströmungs-Steuerein­ richtung zur digitalen Ansteuerung des Ventilkörpers eines Analogventils; mit einer auf einem ersten Druck befindlichen Gasquelle und einer mit dieser verbundenen Aufstromkammer; mit einer Abstromkammer, die einen ver­ gleichsweise geringeren Druck aufweist, eine auf Druck ansprechende Betätigungseinrichtung für den Ventil­ körper des Analogventils und einen Abluftauslaß besitzt; wobei die Abstromkammer mit der Aufstromkammer über mehrere Digitalventile verbunden ist, und mit einer Steuer­ einrichtung für die Digitalventile.

Eine solche Gasströmungs-Steuereinrichtung ist bereits aus der US-PS 30 72 146 bekannt. Die digitale Ansteuerung des Ventilkörpers eines Analogventils hat den Vorteil, daß von einem zentral stehenden Digitalrechner über längere Übertragungsleitungen Analogventile genau gesteuert werden können, ohne daß die Steuerung über die längeren Über­ tragungsleitungen gestört werden könnte, was bei der Über­ tragung von Analogsignalen der Fall wäre. Die bisher be­ kannten Steuereinrichtungen zur digitalen Ansteuerung von Analogventilen hatten jedoch eine unzureichende Linearität zwischen den digitalen Ansteuersignalen und dem Steuer­ druck im Analogventil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gas­ strömungs-Steuereinrichtung zur digitalen Ansteuerung des Ventilkörpers eines Analogventils zu schaffen, mit der eine höchstmögliche Linearität zwischen den digitalen Ansteuersignalen und dem Steuerdruck in der Abstromkammer geschaffen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aufstromkammer, die Abstromkammer und die Digital­ ventile in einem gemeinsamen Ventilkörper angeordnet sind, daß die Werte der Querschnittsflächen der Durch­ trittsöffnungen der Digitalventile mindestens teilweise zueinander eine geometrische Reihe der Zahl 2 bilden und daß Druckregeleinrichtungen vorgesehen sind, die den Druck am Eintritt der offenen Durchtrittsöffnungen aller Digitalventile stets unabhängig von der Gesamt­ größe der jeweils offenen Querschnittsflächen so groß halten, daß das Verhältnis zwischen dem Druck in der Abstromkammer und diesem geregelten Druck in der Auf­ stromkammer kleiner ist als das kritische Druckverhältnis des verwendeten Gases.

Nachfolgend werden spezielle Ausführungsformen der Er­ findung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm des mit den Merkma­ len der Erfindung ausgestatteten Fluid- Steuersystems;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Hälfte einer Ausführungsform des Steuer­ moduls aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines Digital­ ventils gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Eichvor­ gangs für den Steuermodul gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine Seitenansicht mit teilweise weggebro­ chenen Teilen einer anderen Ausführungs­ form des Steuermoduls aus Fig. 1;

Fig. 6 einen Schnitt durch den Steuermodul aus Fig. 5; und

Fig. 7 und 8 grafische Darstellungen des funktio­ nellen Zusammenhanges zwischen Massenfluß­ rate, wirksamer Auslaßfläche und Druck in dem Steuermodul gemäß Fig. 5 und 6.

Nach Fig. 1 steuert ein digitaler Rechner 10 ein Steuer­ organ 11 eines Analog-Ventils, das zur Regulierung der Strömung in einem Fluid-System angeordnet ist. Die dünnen mit einem Strich dargestellten Pfeile bedeuten elektri­ sche Verbindungen, die dicken, mit zwei ausgezogenen Stri­ chen dargestellten Pfeile repräsentieren Strömungsmittel- Verbindungen, beispielsweise hydraulische oder pneumati­ sche Verbindungen, und der dicke, mit unterbrochenen paral­ lelen Strichen dargestellte Pfeil bedeutet eine mechani­ sche Verbindung. Der Ausgang des digitalen Rechners 10 führt mehrere Binärsignale, die einen digitalen Befehl für die Stellung des Steuerorgans 11 darstellen, wobei der digitale Befehl in einem bewichteten Binärcode ver­ schlüsselt sein kann. Die Art des benutzten Binärco­ des ist für das Verständnis der Erfindung nicht wesent­ lich. Der Code kann beispielsweise eine reine geometri­ sche Reihe auf der Grundlage der Zahl 2 oder auch eine modifizierte geometrische Reihe von 2 wie in der US- Anmeldung 64 142 beschrieben sein; es können jedoch auch sämtliche Signale gleich bewichtet sein. Für die Be­ schreibung werde angenommen, daß der benutzte Binärco­ de 7 Binärsignale umfaßt, die entsprechend den sieben reinen Zweierpotenzen 1, 2, 4, 8, 16, 32 und 64 bewich­ tet sind. Ein derartiger Code, der vorzugsweise bei nicht zu hohem Druck und nicht zu großem Durchsatz ver­ wendet wird, erlaubt eine Genauigkeit von 0,1 pounds per square inch gauge (psig; etwa = 70,3 mm WS) in einem Druckbereich von 12 psig (etwa 0,84 kg/cm). Die von dem digitalen Rechner 10 erzeugten binären Ausgangssignale werden auf einen Steuermodul 12 gegeben, in welchem sie beziehentlich eine gleiche Anzahl von Zweistellungs- Digitalventilen (in Fig. 1 nicht dargestellt) betätigen. Eine Druckluftquelle 13 versorgt über einen Druckregler 14 eine Aufstromkammer in dem Steuermodul 12. Der Druck­ regler 14 mit einem einstellbaren Druckregelmechanismus führt Luft aus der Druckluftquelle 13 der Aufstromkammer zu, so daß der Druck in der Aufstromkammer konstant bleibt. Die Austromkammer wird also auf einem einge­ stellten Druck gehalten. Die Digitalventile koppeln die Aufstromkammer an eine Abstromkammer. Ein Auslaß mit fester Querschnittsfläche koppelt die Abstromkammer an Atmosphäre, die in Fig. 1 durch den Block 15 dargestellt ist. Der in der Abstromkammer aufgebaute Druck hängt von den Stellungen der einzelnen Digitalventile, d. h. von der Zahl der offenen oder geschlossenen Digitalventile ab, die von den entsprechenden binären Ausgangssignalen des digitalen Rechners 10 gesteuert werden. (In der praktischen Ausführung ist zwischen dem Rechner 10 und den Betätigungsspulen der Digitalventile noch eine Zwischeneinrichtung vorgesehen. Diese Zwischeneinrich­ tung kann ein Pufferregister für die Umwandlung des intermittierenden Rechnerausgangs in einen kontinuier­ lichen Ausgang sowie Verstärker aufweisen, die zum Be­ trieb der Spulen ausreichende Leistung abgeben.) In der Abstromkammer herrscht mithin ein nicht geregelter Druck. Wenn ein binäres Ausgangssignal des digitalen Rechners 10 einen bestimmten Wert darstellt, wird das entsprechende Digitalventil geschlossen, und wenn die­ ses Signal den anderen Wert darstellt, wird das entspre­ chende Digitalventil geöffnet. Die effektiven Auslaß­ querschnitte der Digitalventile in ihrer Offenstellung stehen zueinander in dem gleichen Verhältnis wie die Bewichtung der entsprechenden binären Ausgangssignale des digitalen Rechners 10. Dementsprechend ist die Sum­ me der effektiven Auslaßquerschnitte der offenen Digital­ ventile in dem Steuermodul 12 proportional zu der Zahl, die von den binären Ausgangssignalen des digitalen Rech­ ners repräsentiert wird. Der Druck in der Abstromkammer ist in einem bestimmten Bereich eine lineare Funktion der Summe der effektiven Auslaßquerschnitte der offenen Digitalventile. Der Linearitätsbereich ist somit ein we­ sentlicher Faktor für den Betrieb des Steuermoduls 12.

Vorzugsweise wird der Druck in der Aufstromkammer so hoch gehalten, daß der Strömungsmitteldurchsatz durch die offenen Digitalventile im ganzen in der Abstrom­ kammer herrschenden Druckbereich mit Schallgeschwindig­ keit stattfindet. Wenn Luft als Strömungsmittel verwen­ det wird, muß das Verhältnis des absoluten Druckes in der Aufstromkammer zu dem absoluten Druck in der Abstromkammer größer als 2 : 1 gehalten werden, um einen Durchsatz mit Schallgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Bei Schallge­ schwindigkeit ist die Durchsatzrate durch jedes offene Digitalventil unabhängig von dem Druckabfall über dem Ventil, da der Aufstromdruck konstant ist. Somit führt der Steuermodul 12 seine Funktion insofern besser aus, als die Linearität der Proportionalität zwischen dem Druck in der Abstromkammer und der durch die binären Aus­ gangssignale des Rechners 10 dargestellten Zahl verbes­ sert wird.

Die Abstromkammer des Steuermoduls 12 ist mit einem auf Druck ansprechenden Umformer 17 verbunden, der bei­ spielsweise ein beweglicher Kolben oder eine Membran sein kann, die mechanisch mit dem Steuerorgan 11 des Analogventils verbunden ist. Wie mit dem Block 18 in Fig. 1 dargestellt ist, beeinflußt die Stellung des Steuerorgans 11 die dynamischen Bedingungen des Fluid-Systems. Die dynamischen Zustände des Fluid-Systems werden von einem Fühler 19 erfaßt, der ein oder mehrere Rückkopp­ lungssignale erzeugt, die die dynamischen Bedingungen re­ präsentieren. Das elektrische Rückkopplungssignal wird von dem Fühler 19 auf einen Analog/Digital-Umsetzer 20 gekoppelt, in welchem es in eine digitale Binärdarstel­ lung mit vorzugsweise sieben Binärstellen für den digita­ len Rechner 10 umgewandelt wird. Der digitale Rechner 10 regelt das Befehlssignal kontinuierlich auf der Basis der von dem Fühler 19 festgestellten Veränderung der dy­ namischen Bedingungen nach. Die Erfindung ist zwar gemäß Fig. 1 im Zusammenhang mit einem geschlossenen Rückkopp­ lungssteuersystem beschrieben, doch kann sie auch in einem offenen System oder in einem solchen System Verwendung finden, das Solldrücke einer Rückkopplungs-Hydrosteuerung zuführt.

In Fig. 2 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die aufgeschnittene Hälfte des Steuermoduls 12 im einzel­ nen dargestellt; die andere Hälfte des Steuermoduls 12 ist ein Spiegelbild der dargestellten Hälfte. Ein schei­ benförmiger Kern 30 ist in einer zylindrischen Vertiefung 31 eines Gehäuses 32 angeordnet. Der Gehäusedeckel 33 ist über nicht dargestellte Bolzen mit dem Gehäuse 32 befestigt. An der Peripherie des Kernes 30 ist ein Ring­ schlitz ausgebildet, der mit der benachbarten Oberfläche der Vertiefung 31 eine Aufstromkammer 34 bildet. In ähn­ licher Weise ist an der Peripherie des Kerns 30 am an­ deren Ende ein weiterer Ringschlitz ausgebildet, der mit der benachbarten Oberfläche der Vertiefung 31 eine Abstrom­ kammer 35 bildet. Am Rand des Kernes 30 sind sieben bista­ bile Digitalventile 36, 37, 38 und 39 angeordnet. Die Digi­ talventile sind auf einem Kreis in der Reihenfolge zuneh­ mender Auslaßquerschnitte verteilt. Um die Aufstromkammer 34 auf geregeltem Druck zu halten, wird ihr durch eine in Fig. 2 nicht dargestellte Vorrichtung Luft zugeführt. In dem Kern 30 sind zwischen den Kammern 34 und 35 eine oder mehrere Entlüftungsöffnungen wie etwa die Öffnung 64 vorgesehen, die feste Querschnittsfläche haben. Der Quer­ schnitt der Öffnung 64 ist so gewählt, daß in der Abstrom­ kammer 35 ein gewünschter Minimaldruck herrscht, wenn sämt­ liche Digitalventile geschlossen sind. Eine oder mehrere Abluftöffnungen, wie etwa die Öffnung 65, von festem Quer­ schnitt, sind in dem Gehäuse 32 zwischen der Kammer 35 und der außerhalb des Gehäuses 32 herrschenden Umgebungsatmo­ sphäre ausgebildet. In dieser Beschreibung bedeutet Öff­ nung einen Auslaß, dessen Länge kurz ist relativ zu seinem Durchmesser. Der Querschnitt der Öffnung 65 ist so ausge­ legt, daß ein gewünschter maximaler Luftdurchlaß durch den Steuermodul nicht überschritten wird, wenn alle Digital­ ventile offen sind. Die Kammern 34 und 35 sind gegeneinan­ der und gegen das Gehäuseinnere über dem Kern 30 durch O-Ringe 66 und 67 abgedichtet, die in entsprechenden Nuten am Umfang des Kernes 30 gehalten werden, wobei ein O-Ring 68 in einer an der Unterseite des Kernes 30 befindlichen Nut sitzt und O-Ringe die einzelnen Digitalventile umgeben, beispielsweise wie der O-Ring 69.

Das in Fig. 3 auseinandergenommen dargestellte Digitalven­ til 36 wird als Beispiel für die anderen sechs Digitalven­ tile beschrieben. Ein Verschlußkörper 45 und ein Auslaß 46 bestimmen den Strömungsmitteldurchsatz durch das Digital­ ventil 36, d. h. seine Auslaßfläche in der Offenstellung. Der Auslaß 46 wird von einer Präzisionsbohrung in einem Sitz 47 gebildet, der im Preßsitz in eine Bohrung von ge­ normter Größe zwischen den Kammern 34 und 35 eingefügt ist. Eine Bohrung 48 von größerer Normgröße erstreckt sich zwi­ schen der Aufstromkammer 34 und dem Äußeren des Kernes 30 in Ausrichtung auf den Auslaß 46. Ein Verschlußkörperge­ häuse 49 steht in Schraubverbindung mit der Bohrung 48. Das Verschlußkörpergehäuse 49 ist mit einem Schlitz 51 (Fig. 2) für einen Schraubendreher versehen, damit das Verschluß­ körpergehäuse eingeschraubt werden kann. Das Verschlußkörper­ gehäuse 49 dient als Kern für eine Spule 52. Eine Führungs­ kammer 53 in dem Verschlußkörpergehäuse 49 ist an einem Ende verschlossen und an dem anderen der Aufstromkammer zuweisen­ den Ende offen. Der Verschlußkörper 45 bewegt sich in der Kammer 53 zwischen zwei Endstellungen, die durch den Abstand zwischen dem abgeschlossenen Ende der Kammer 53 und dem Aus­ laß 46 definiert sind. Eine Druckfeder 54, die in einer Ver­ tiefung am Verschlußkörperende sitzt und gegen das geschlos­ sene Ende der Kammer 53 weist, arbeitet gegen das geschlos­ sene Ende der Kammer 53. Wenn danach die Spule 52 nicht ak­ tiviert ist, liegt der Verschlußkörper 45 unter dem Einfluß der Feder 54 gegen den Auslaß 46 an und bringt damit das Digitalventil 36 in seine Geschlossenstellung. In der Ge­ schlossenstellung verschließt der Verschlußkörper 45 den Auslaß 46, so daß durch diesen kein Strömungsmittel von der Aufstromkammer 34 zur Abstromkammer 35 fließen kann. Wenn die Spule 52 aktiviert wird, zieht sie den Verschluß­ körper 45, der mindestens teilweise aus magnetisierbarem Material besteht, in die Kammer 53, bis er gegen das ab­ geschlossene Ende der Kammer anliegt. Eine Abschirmung 55 paßt satt um das Verschlußkörpergehäuse 49 und ein Siche­ rungsring 56 sichert das Verschlußkörpergehäuse 49 gegen Drehung relativ zum Kern. Ein Klemmenträger 60 und der Kern 30 sind an dem Gehäuse 32 durch eine Schraube 61 be­ festigt. Leitungen (Fig. 3) zur Aktivierung der Spule 52 sowie der den anderen Digitalventilen zugeordneten Spulen sind an die zugehörigen Klemmen 62 auf dem Klemmenträger 60 geführt. Ein nicht dargestelltes Kabel überträgt die binären Ausgangssignale aus dem digitalen Rechner 10 und ist durch einen Kabeleinlaß 63 in dem Gehäuse 32 geführt, wobei die Leiungen des Kabels mit den jeweils zugehörigen Klemmen 62 verbunden sind. Der Sitz 47 ist vorzugsweise aus einem sehr harten Material gefertigt, so daß sich der Querschnitt des Auslasses 46 nicht durch Materialabnutzung verändert. Der Verschlußkörper 45 weist eine am Ende abgeschrägte Na­ del 70 sowie einen mit einer Nut 72 (Fig. 3) versehenen Schaft 71 auf, so daß Strömungsmittel an dem Verschlußkör­ per zur Sicherstellung des Druckausgleichs vorbeistreichen kann. Lediglich der Schaft 71 muß aus magnetischem Material bestehen; die Nadel 70 kann aus abnutzungsarmem, nicht-mag­ netischem Material bestehen. Das Verschlußkörpergehäuse 49 besteht aus drei zu einer Einheit zusammengelöteten Teilen, nämlich einer Kappe 73 aus magnetischem Material, einem Bodenteil 74 aus magnetischem Material sowie einem Kör­ per 75 (Fig. 2) aus nicht-magnetischem Material. Die Wick­ lungen der Spule 52 sind auf dem Körper 75 zwischen den Flanschen 76 und 77 an der Kappe 73 bzw. dem Bodenteil 74 angeordnet. Ein O-Ring 69 sitzt in einer Nut in dem Boden­ teil 74 zwischen den Schraubgängen 78, die zur Bildung der Schraubverbindung 50 in die Gewindegänge in der Boh­ rung 48 eingreifen, und dem offenen Ende der Führungskam­ mer 53. Die übrigen Digitalventile gleichen dem Ventil 36 mit Ausnahme der Form des Auslasses 46 und der Nadel 70 des Verschlußkörpers.

Die Einzelteile des Digitalventils sind so dimensioniert, daß das abgeschrägte Ende der Nadel 70 im Inneren des Auslasses 46 verbleibt, wenn der Verschlußkörper 45 ge­ gen das verschlossene Ende der Führungskammer 53 in der einen Endstellung anliegt, d. h. in der Offenstellung des Ventils. Die Digitalventile bieten damit dem Fluß des Strömungsmittels ringförmige Auslässe dar. Die Quer­ schnitte dieser Ringauslässe sind einzeln einstellbar, indem der Abstand des geschlossenen Endes der Führungs­ kammer 53 zu dem Sitz 47 und damit der Innendurchmesser des Ringauslasses verändert wird. Dies geschieht durch Drehen des Verschlußkörpergehäuses 49 in seiner Schraub­ verbindung 50 mit der Bohrung 48, so daß der Abstand zwischen dem geschlossenen Ende der Führungskammer 53 und dem Auslaß 46 und somit die Länge des Führungskörperhubes verändert wird. Vorteilhafterweise wird das Verschlußkör­ pergehäuse zunächst in die Bohrung eingeschraubt und der Sicherungsring 56 lose auf den Kern 30 mit seinen Befesti­ gungsmitteln aufgesetzt; dann wird das Verschlußkörperge­ häuse etwa durch Drehen eines in den Schlitz 51 eingesetz­ ten Schraubendrehers soweit gedreht, bis der Auslaßquer­ schnitt genau auf den gewünschten Wert eingestellt ist. Schließlich werden die Befestigungsmittel auf dem Siche­ rungsring angezogen, so daß der Sicherungsring gegen den Bodenteilflansch 77 des Verschlußkörpergehäuses drückt und die Gänge der Schraubverbindung mit der Bohrung belastet, wodurch das Verschlußkörpergehäuse in der eingestellten Lage festgesetzt wird.

Wie das in Fig. 2 dargestellt ist, weisen der Bodenteil­ flansch und der Sicherungsring zur Oberfläche des Kernes 30 Abstand auf, wenn das Verschlußkörpergehäuse festge­ setzt wird.

Zusammengefaßt dargestellt: Die wirksame Auslaßfläche je­ des Digitalventils wird wie beschrieben genau auf den ge­ wünschten Wert eingestellt. Da tatsächlich in jedem Digi­ talventil eine Anzahl verschiedener Auslässe gebildet wird, dient in dieser Beschreibung der Ausdruck "wirksame Auslaß­ fläche" zur Bezeichnung der resultierenden Auslaßfläche jedes Ventils, die als einfache Öffnung mit gleichförmiger Querschnittsfläche betrachtet werden kann, die die Aufstrom­ kammer an die Abstromkammer koppelt.

Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform des Steuermoduls 12. Fig. 6 kann zur Erleichterung des Ver­ ständnisses um 90° gedreht werden. Der Steuermodul weist einen Gehäuseblock 80 mit einer Aufstromkammer 81, einer Abstromkammer 82 und einem Kabelraum 83 auf. An dem Ge­ häuseblock 80 sind mehrere Teilblöcke 84 durch Befesti­ gungsmittel, etwa in Form von Schrauben 85, befestigt, wobei jeder Teilblock 84 ein Digitalventil beherbergt. Jeder Teilblock 84 enthält einen spulenbetätigten Ver­ schlußkörper 95, der gemäß der Darstellung in Fig. 6 bei einer Bewegung nach rechts das Ende eines Kanales 96 ab­ schließt und bei einer Bewegung nach links den Kanal 96 für den Durchsatz von Strömungsmittel von der Aufstrom­ kammer 81 zur Abstromkammer 82 freigibt. Eine Stellschrau­ be 97 kann zur Steuerung des wirksamen Auslaßquerschnittes des Kanales zwischen der Aufstromkammer 81 und dem Kanal 96 eingestellt werden, so daß sich dementsprechend die wirksame Auslaßfläche des Digitalventils einstellen läßt. Die Stellschrauben 97 sind vom äußeren des Steuermoduls zugänglich (Fig. 5).

Eine erste Modifizierung gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform ist darin zu sehen, daß sich die Abstrom­ kammer 82 durch den Gehäuseblock 80 von einer Seite zur anderen erstreckt. An einer Seite ist die Abstromkammer 82 durch einen eingeschraubten Stopfen 87 geschlossen. Ein Ende eines Rohres 88 paßt in den Stopfen 87, so daß sich das andere Ende des Rohres 88 in die Abstromkammer 82 erstreckt. Für diese Beschreibung werde unter einem Rohr ein Auslaß verstanden, dessen Länge groß ist relativ zu seiner lichten Weite, anders als bei der obenerwähnten Öffnung. Eine Leitung 89 erstreckt sich durch den Stopfen 87 und den Gehäuseblock 80 zwischen der Abstromkammer 82 und dem Kabelraum 83. Das Rohr 88 und die Leitung 89 bil­ den den Abluftauslaß zwischen der Abstromkammer und der Atmosphäre. Die Abmessungen des Rohres 88 sind so gewählt, daß sie im wesentlichen die Durchsatzrate durch den Abluft­ auslaß bestimmt unter Ausschluß der Abmessungen der Leitung 89. Ein O-Ring 90 in einer Nut im Stopfen 87 verhindert die Leckage von Luft aus der Abstromkammer 82 in die Leitung 89. Die die Abstromkammer 82 durch das Rohr 88 und die Leitung 89 verlassende Luft gelangt von dem Kabelraum 83 in die Atmosphäre. Auf diese Weise reinigt die Luft den Kabelraum 83 von entflammbaren Gasen, die in der Nähe des Steuermoduls vorhanden sein könnten.

Eine weitere Ausbildung ist darin zu sehen, daß die die Digitalventile enthaltenden Teilblöcke durch einen Teil­ block 91 ersetzt wurden, der den Abluftauslaß zwischen der Aufstromkammer 81 und der Abstromkammer 82 beherbergt. Die wirksame Auslaßfläche des Abluftauslasses wird durch Drehen einer von außen zugänglichen Stellschraube 92 justiert. Die Stellschraube 92 weist an einem Ende einen abgeschrägten Paßkörper 93 auf, der sich in einen zylindrischen Kanal 94 erstreckt, so daß sich ein einstellbarer Ringraum ergibt.

Die wirksame Auslaßfläche des Abluftauslasses wird durch den Abstand bestimmt, mit dem sich der Paßkörper 93 in den Kanal 94 erstreckt. Aus Fig. 6 ist zu erkennen, daß abgesehen von dem Fehlen einer Verschlußkörperanordnung mit zugehöriger Magnetspule der Teilblock 91 mit den Teil­ blöcken 84 identisch ist.

Eine sehr gute Linearität über den gesamten in der Abstrom­ kammer erzeugten Druckbereich wird dadurch erreicht, daß das Verhältnis zwischen dem Druckabfall über den Digital­ ventilen zu dem Druckabfall über dem Entlüftungsauslaß gesteuert wird. Vorteilhafterweise wird das Verhältnis des absoluten Druckes in der Aufstromkammer zu dem absolu­ ten Druck in der Abstromkammer größer als das kritische Druckverhältnis, d. h. etwa 2 : 1 für Luft, gehalten. Weiter­ hin wird vorteilhafterweise das Verhältnis des absoluten Druckes in der Abstromkammer zum Atmosphärendruck größer als 2 : 1, dem kritischen Druckverhältnis, über den gesam­ ten Druckbereich in der Abstromkammer gehalten. In diesem Fall isoliert der Luftdurchsatz von Schallgeschwindigkeit durch die geöffneten Digitalventile die Aufstromkammer von der Abstromkammer. Mit anderen Worten, Schwankungen in dem Druck der Abstromkammer beeinflussen nicht den Massendurch­ satz durch die geöffneten Digitalventile. Die Luftströmung durch die geöffneten Digitalventile bei Schallgeschwindig­ keit baut das kritische Druckverhältnis zwischen der Auf­ stromkammer und den Digitalventilen auf. Da der Druck in der Aufstromkammer konstant ist, ist die Massendurchsatzrate durch die geöffneten Digitalventile proportional, d. h. eine lineare Funktion der Summe der wirksamen Auslaßöff­ nungen der geöffneten Digitalventile, unabhängig von dem Druck in der Abstromkammer. In diesem Fall ist der Ent­ lüftungsauslaß eine Öffnung zur Umgebung. Als Folge der Luftströmung von Schallgeschwindigkeit durch den Entlüftungsauslaß ist der Druck in der Abstromkammer direkt proportional zu, d. h. eine lineare Funktion der Massenflußrate der durch den Entlüftungsauslaß entweichenden Luft. Die Kontinuität fordert, daß die Massenflußrate durch den Entlüftungsaus­ laß der Massenflußrate durch die Digitalventile in der Offenstellung gleicht. Daher ist der Druck in der Abstrom­ kammer direkt proportional zu, d. h. eine lineare Funktion der Summe der wirksamen Auslaßflächen der Digitalventile in der Offenstellung. Beispielsweise kann der Druckbereich in der Abstromkammer von 15 bis 30 psig (etwa 1,05 bis 2,1 kg/cm²) betragen und der geregelte Druck in der Aufstrom­ kammer kann 75 psig (etwa 5,25 kg/cm²) betragen.

Jedoch ist ein Normdruckbereich für Ventilsteuerorgane und pneumatische Steuerungen in Verarbeitungsanlagen 3 bis 15 psig (etwa 0,21 bis 1,05 kg/cm²). Somit liegt ein typi­ scher Druckbereich in der Abstromkammer bei 3 bis 15 psig. Für diesen Fall würde die Entlüftungsauslaßöffnung an unter­ atmosphärischen Druck statt an die Atmosphäre gekoppelt werden müssen, um das Druckverhältnis von 2 : 1 über dem Entlüftungs­ auslaß über dem gesamten Druckbereich in der Abstromkammer aufrechtzuerhalten. Dies könnte dadurch erreicht werden, daß der Entlüftungsauslaß an einen Luftspeicherraum statt an Atmosphäre angeschlossen wird, der von einer Vakuumpum­ pe teilweise evakuiert wird. Es gibt jedoch auch andere Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung einer Luftströmung von Schallgeschwindigkeit von der Abstromkammer zur Atmosphäre ohne ein Druckverhältnis von mindestens 2 : 1 aufrechtzuer­ halten.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist das Einhalten einer sehr weitreichenden Linearität, ohne daß der Luftstrom durch den Entlüftungsauslaß bei Schallgeschwindigkeit über den gesamten Druckbereich in der Abstromkammer gehalten werden muß. Hier­ zu ist im einzelnen der Abluftauslaß in Form eines Rohres 88 in Fig. 5 anstelle einer Öffnung vorgesehen. Nimmt man an, daß der Druckbereich in der Abstromkammer 3 bis 15 psig beträgt, sind geeignete Abmessungen für das Rohr 88 eine Länge von 4 Zoll (etwa 10 cm) und einen Innendurchmesser (lichte Weite) von 0,030 Zoll (etwa 0,762 mm); ein geeig­ neter Wert für den geregelten Druck in der Aufstromkammer beträgt 29 psig (etwa 2 kg/cm²). Für eine Luftströmung durch das Rohr 88 bei Unterschallgeschwindigkeit ist die Massenflußrate durch das Rohr eine nicht-lineare Quadrat­ wurzelfunktion des Druckes P _x in der Abstromkammer (Fig. 8). Um diese Quadratwurzelbeziehung auszugleichen, wird der ge­ regelte Druck in der Aufstromkammer mit Absicht so gewählt, daß die Luft durch die Digitalventile ebenfalls mit Unter­ schallgeschwindigkeit für mindestens einen Teil des Druck­ bereiches in der Abstromkammer fließt. In einem derartigen Fall ist die Summe A der wirksamen Auslaßfläche der Digital­ ventile in der Offenstellung eine nicht-lineare, etwa quadra­ tische Funktion der Massenflußrate durch die Digitalventile in der Offenstellung (Fig. 7). Bei kleineren Massenflußraten, bei denen die Quadratwurzelbeziehung zwischen und P _x etwa linear ist, wird der geregelte Druck in der Aufstromkammer so eingestellt, daß die Luftströmung durch die Digitalven­ tile in der Offenstellung im wesentlichen bei Schallgeschwin­ digkeit stattfindet. Wenn die Massendurchsatzrate zunimmt und die Beziehung zwischen und P _x stärker nicht linear wird (dick ausgezogene Kurve in Fig. 8 von _s an), nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch die Digitalven­ tile in der Offenstellung ab. Wenn die Luftströmungsgeschwin­ digkeit durch die Digitalventile in der Offenstellung absinkt, wird die Beziehung zwischen und A nicht linear (Fig. 7, dick ausgezogene Kurve von _s an). Bei einem gegebenen Druck­ bereich in der Abstromkammer sind die Länge und die lichte Weite des Rohres 88 sowie der gesteuerte Druck in der Auf­ stromkammer so gewählt, daß die quadratische Beziehung zwi­ schen und A so gut wie möglich die Quadratwurzelbeziehung zwischen und P _x kompensiert. Das Ergebnis ist eine außer­ ordentlich gute und weitreichende Linearität zwischen P _x und A.

Wenn die Anforderungen an die Linearität nicht so hoch sind, kann die Luftströmung durch die Digitalventile bei Schallgeschwindigkeit aufrechterhalten werden ohne Rück­ sicht auf den Einfluß der Massendurchsatzrate durch die Entlüftungsöffnung oder das Rohr auf den Druck in der Abstromkammer. Der geregelte Druck in der Aufstromkammer wird einfach so gewählt, daß er mindestens zweimal so groß wie der höchste Druck in der Abstromkammer ist. Dies ergibt eine befriedigende Linearität für viele Anwendungsfälle.

Fig. 4 stellt den Eichvorgang für den Aufbau des gewünsch­ ten Druckes in der Abstromkammer für jede Stellungskombi­ nation der sieben Digitalventile dar. Die Abstromkammer ist an ein sehr genaues Manometer angeschlossen. Für die Beschreibung werde angenommen, daß in der Abstromkammer ein Druckbereich von 3 bis 15 psig aufgebaut werden soll, da dies ein Normbereich von Eingangsdrücken für Steueror­ gane von Analogventilen ist. Es werde weiterhin angenommen, daß der Regler 14 so eingestellt ist, daß sich ein Druck von 50 psig in der Aufstromkammer einstellt, daß der Ent­ lüftungsauslaß so ausgelegt ist, daß ein Druck von 3 psig in der Abstromkammer erzeugt wird, wenn sämtliche Digital­ ventile in der Geschlossenstellung stehen und daß der Ab­ luftauslaß einen maximalen Luftdurchsatz von 0,3 Kubikfuß/ Min. (etwa 85 l/min) bei Normaltemperatur und Normaldruck freigibt, wenn sämtliche Digitalventile in der Offenstel­ lung stehen. Das Eichverfahren für die Ausführungsformen der Erfindung gemäß Fig. 2 und 3 unterscheidet sich etwas von dem Eichverfahren für die Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6.

Bei den Ausführungsformen, die in Fig. 5 und 6 dargestellt sind, besteht die erste Stufe des Eichvorganges darin, das Manometer bei fehlendem Druck in der Abstromkammer zu nullen. Die zweite Stufe sieht dann vor, daß die Stell­ schraube 92 zur Justierung der wirksamen Auslaßfläche des Abluftauslasses in dem Teilblock 91 eingestellt wird, so daß der Druck in der Abstromkammer bei sämtlichen digita­ len Ventilen in ihrer Geschlossenstellung genau 3 psig beträgt. Bei den nachfolgenden Stufen wird jedes Digital­ ventil einzeln nacheinander geöffnet, jede wirksame Aus­ laßfläche justiert, indem die Schraube 86 solange gedreht wird, bis das Manometer den gewünschten, das betreffende Ventil repräsentierenden Druck in der Abstromkammer an­ zeigt, wonach dann das betreffende Ventil geschlossen wird. Es hat sich ergeben, daß die größte Linearität für alle Einstellungskombinationen der digitalen Ventile er­ reicht werden kann, wenn die wirksamen Auslaßflächen der verschiedenen Digitalventile so justiert sind, daß der Druck in der Abstromkammer gegen seinen Sollwert um einen empirisch bestimmten Betrag geringfügig abgeändert wird. Wenn beispielsweise das mit 4 bewichtete Digitalventil geöffnet ist, kann empirisch bestimmt werden, daß sich ein größeres Ausmaß an Gesamt-Linearität ergibt, wenn die­ ses Digitalventil so justiert ist, daß ein Druck in der Abstromkammer von 3,378 psig statt 3,375 psig (Sollwert) erzeugt wird.

Für die Ausführungsform, die in den Fig. 2 und 3 dar­ gestellt ist, besteht die erste Stufe des Eichvorganges in dem Nullen des Manometers bei Abwesenheit von Druck in der Abstromkammer. In der zweiten Stufe wird der Druck­ regler so eingestellt, daß der Druck in der Abstromkammer genau 3 psig beträgt, wenn alle Digitalventile in der Ge­ schlossenstellung stehen. Dadurch werden Abmessungeschwan­ kungen in dem Abluftauslaß, in dem Entlüftungsauslaß und in der Aufstromkammer und Abstromkammer von dem geregel­ ten Druck in der Aufstromkammer kompensiert. Mit anderen Worten, der geregelte Druck in der Aufstromkammer wird auf einen Wert eingestellt, der geringfügig von seinem Sollwert von 75 psig abweicht, um die Toleranzschwankun­ gen der Bauteile des Steuermoduls zu kompensieren, der jedoch noch hoch genug ist, um ein Verhältnis von min­ destens 2 : 1 der absoluten Drücke zwischen den Kammern über den gesamten Druckbereich in der Abstromkammer auf­ rechtzuerhalten. Die dritte Stufe des Eichvorganges sieht vor, daß das Digitalventil mit der kleinsten wirksamen Auslaßfläche in die Offenstellung gebracht und sein Hub solange eingestellt wird, bis das Manometer den gewünsch­ ten Druck in der Abstromkammer für diese Stellungskombi­ nation der Digitalventile anzeigt. Bei der vierten Stufe wird das Digitalventil mit der zweitkleinsten wirksamen Auslaßfläche in die Offenstellung gebracht und sein Hub wird solange eingestellt, bis das Manometer einen Abstrom­ kammerdruck anzeigt, der für diese Stellungskombination der Digitalventile gewünscht wird. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, wobei jedes Digitalventil in der Reihenfolge zunehmender wirksamer Auslaßflächen geöffnet wird, bis alle Digitalventile in der Offenstellung stehen. Nach Öffnen je­ des Digitalventiles in der Reihe und vor dem Öffnen des nächsten Digitalventiles in der Reihe wird der Hub des gerade geöffneten Digitalventiles so lange eingestellt, bis das Manometer den gewünschten Druck in der Abstrom­ kammer für diese Stellungskombination der Digitalventile anzeigt. Die Justierung der Hube der einzelnen Ventile kom­ pensiert die Toleranzschwankungen der Bauteile dieser Ven­ tile, so daß die wirksamen Auslaßflächen entsprechend dem Binärcode der auf den Steuermodul gekoppelten Binärsignale genau bewichtet sind.

Zusammengefaßt wird in dem vorstehend bezüglich der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform beschriebe­ nen Eichvorgang der Regler so eingestellt, daß Veränderun­ gen in den Abmessungen des Abluftauslasses, des Entlüftungs­ auslasses und der Druckkammern kompensiert werden, während die Digitalventilhübe so eingestellt werden, daß Toleranz­ schwankungen ihrer Bauteile kompensiert werden. Wenn es er­ wünscht ist, in der Abstromkammer einen Druck von Null bei sämtlichen Digitalventilen in der Geschlossenstellung auf­ zubauen, kann der Abluftauslaß weggelassen werden. In die­ sem Fall wird das Digitalventil mit der kleinsten Auslaß­ fläche die Rolle des Abluftauslasses beim Eichvorgang über­ nehmen. Mit anderen Worten, dieses Digitalventil würde ge­ öffnet werden und der Regler würde so eingestellt werden, daß der gewünschte Druck in der Abstromkammer ohne Einstel­ lung dieses Digitalventiles aufgebaut wird. Die Hübe der übrigen Digitalventile würden dann nacheinander justiert, um solche Auslaßflächen zu haben, die relativ zu dem Digi­ talventil mit der kleinsten Auslaßfläche richtig bewichtet sind. Obgleich es Vorteile bringt, jedes Ventil nacheinan­ der zu öffnen, ohne daß die vorher geöffneten Ventile ge­ schlossen werden, um die Durchflußwirkung bei der Eichung zu berücksichtigen, kann auch jedes Ventil für sich geöff­ net werden, so daß jeweils nur ein Ventil geöffnet ist.

Es versteht sich, daß die beschriebenen Ausführungsbeispie­ le der Erfindung lediglich als Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens dienen und der Umfang der Erfin­ dung durch die beschriebenen Ausführungsformen nicht be­ schränkt wird. Tatsächlich können verschiedenartige und zahlreiche andere Einrichtungen entworfen werden, ohne daß dabei von der Erfindung abgewichen wird. So könnte es bei­ spielsweise möglich sein, einen geringeren als atmosphäri­ schen Druck in der Kammer 34 oder 81 aufzubauen, wodurch sich die Strömungsrichtung des Strömungsmittels durch den Steuermodul umkehrt (eine derartige Einrichtung ist jedoch auf einen maximalen Druckbereich von 14,7 psig beschränkt). Der Entlüftungsauslaß könnte an eine zusätzliche Druckkam­ mer oder an einen Druckspeicher von konstantem Druck statt an Atmosphäre angeschlossen sein. Wie bereits erwähnt, wür­ de dies besonders dann zweckmäßig sein, wenn auf der Ab­ stromseite des Entlüftungsauslasses ein unteratmosphäri­ scher Druck erwünscht ist, um einen Durchsatz bei Schall­ geschwindigkeit aufrecht erhalten zu können. Die Digital­ ventile und der Entlüftungsauslaß könnten ausgetauscht wer­ den, d. h. daß der Entlüftungsauslaß die beiden Kammern koppelt und die Digitalventile eine der Kammer mit Atmo­ sphäre verbinden. Die Erfindung ist weiterhin auf Digital­ signale anwendbar, die beispielsweise statt im Binärsystem im Trinärsystem codiert sind. (In diesem Fall würden die Digitalventile so abzuändern sein, daß sie die gleiche Zahl von Stellungen wir die Digitalsignale, nämlich 3, besitzen.) Statt ein auf Druck ansprechendes Steuerorgan an die Ab­ stromkammer anzuschließen, könnte es möglich sein, den Druck in der Abstromkammer durch Überwachen der Durchsatzrate mit einem Durchflußmesser, beispielsweise einem Flügelradzähler, festzustellen. In diesem Fall ist die Winkelgeschwindigkeit des Flügelrads repräsentativ für den Druck in der Abstrom­ kammer. Weiterhin könnten andere Systeme von Digitalventilen anstelle des Steuermoduls 12 Verwendung finden. Schließlich könnte das im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrie­ bene System von Digitalventilen auch ohne Regler 14, Ent­ lüftungsauslaß 65 und Abluftauslaß 64 Verwendung finden, um den Durchsatz eines Prozeßfluids bei mäßigen Drücken und Durchsatzraten zu beeinflussen.

Zusammengefaßt wurde eine Fluidquelle von konstantem Druck beschrieben, die an eine Druckkammer angeschlossen ist, die ihrerseits mit einer Fluidsenke von konstantem Druck verbun­ den ist, wobei letzterer geringer als der Druck der Fluid­ quelle ist. Eine der Kopplungen weist einen Auslaß von fester Querschnittfläche auf. Die andere Kopplung umfaßt mehrere einzeln einstellbare Digitalventile. Eine druck­ abhängig bewegbare Vorrichtung, beispielsweise ein Steuer­ organ für einen Analogventil-Verschlußkörper, ist an die Kammer gekoppelt. Die Stellungen der Digitalventile wer­ den von Digitalsignalen gesteuert, die einen Befehl re­ präsentieren, so daß die Bewegung der Vorrichtung für den Befehl repräsentativ ist. Jedes Digitalventil ist so aus­ gelegt, daß seine wirksame Auslaßfläche in der Offenstel­ lung nach Zusammenbau justiert werden kann. Die Anordnung wird dadurch geeicht, daß die Digitalventile einzeln justiert werden, um die Einflüsse von Toleranzschwankungen zu kompen­ sieren. Vorzugsweise stellen die Digitalsignale den Ausgang eines Digitalrechners dar. Zweckmäßigerweise sind die Ven­ tile bistabil und es ist besonders günstig, eine Schall­ strömung durch die Ventile in ihrer Offenstellung aufrecht­ zuerhalten. Die einzelnen Digitalventile sind weiterhin mit Vorteil so ausgelegt, daß ihre Auslaßquerschnitte in der Offenstellung durch Justierung des Verschlußkörper­ hubes verändert werden kann. Der Verschlußkörperhub ist so gesteuert, daß der Verschlußkörper in der Geschlossen­ stellung gegen den Auslaß anliegt und in der Offenstellung gegen das abgeschlossene Ende einer Führungskammer für den Verschlußkörper anliegt.

Claims (1)

1. Gasströmungs-Steuereinrichtung zur digitalen An­ steuerung des Ventilkörpers eines Analogventils;
   mit einer auf einem ersten Druck befindlichen Gas­ quelle und einer mit dieser verbundenen Aufstromkammer;
   mit einer Abstromkammer, die einen vergleichsweise geringeren Druck aufweist, eine auf Druck ansprechende Betätigungseinrichtung für den Ventilkörper des Analog­ ventils und einen Abluftauslaß besitzt; wobei die Abstromkammer mit der Aufstromkammer über mehrere Digitalventile verbunden ist, und mit einer Steuer­ einrichtung für die Digitalventile,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstromkammer (34, 81), die Abstromkammer (35, 82) und die Digitalventile (36-39) in einem gemein­ samen Ventilkörper (30, 32) angeordnet sind, daß die Werte der Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen (46) der Digitalventile (36-39) mindestens teilweise zueinander eine geometrische Reihe der Zahl 2 bilden und daß Druckregeleinrichtungen (14) vorgesehen sind, die den Druck am Eintritt der offenen Durchtritts­ öffnungen (46) aller Digitalventile (36-39) stets unabhängig von der Gesamtgröße der jeweils offenen Querschnittsflächen so groß halten, daß das Verhält­ nis zwischen dem Druck in der Abstromkammer (35) und diesem geregelten Druck in der Aufstromkammer (34) kleiner ist als das kritische Druckverhältnis des ver­ wendeten Gases.