DE2304956C2 - Durch ein Strömungsmittel betätigbare Vorrichtung zur Steuerung von Verfahrensanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine durch ein Strömungsmittel betätigbare, zur Steuerung oder Regelung von Verfahrensanlagen bestimmte Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Plane pneumatische Vorrichtungen der erwähnten Art bestehen typischerweise aus einer mehrlagigen Laminar- bzw. Schichtkonstruktion, deren eine Lage ein dünnes, flaches, relativ steif flexibles Betätigungselement aufweist das um eine in der Operatorebene liegende Achse schwenkbar aufgehängt ist. Ein oder mehrere Abschnitte der Operatorancrdnung können so angeordnet sein, daß sie von verschiedenen Kräften oder Pneumatikdrücken beaufschlagbar sind, während gewöhnlich ein Meßelement etwa eine Düse vorgesehen ist, um Änderungen der Stellung der Operatoran ordnung in Abhängigkeit von Änderungen der angelegten Kräfte oder Drücke festzustellen. Das durch die Meßvorrichtung erzeugte Signal kann als Rückkopplungssignal zur Regelung der Kraft an einem anderen Abschnitt des Betätigungselements oder als Ausgangssignal benutzt werden, das zu anderen Einheiten im Instrumentensystem übertragen wird.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist bereits aus der US-PS 35 93 734 bekannt Dort ist unter anderem eine Anordnung mit zwei nebeneinanderliegenden Operatoren beschrieben, wobei diese beiden Operatoren aus einem einzigen flachen Metallstück gebildet und in einer Schichtkonstruktion der obenerwähnten Art unter gegenseitiger Abdichtung der einzelnen Operatorabschnitte angeordnet sind.

Bei dieser bekannten Operatoranordnung ist jeder der beiden Operatoren mechanisch unabhängig von dem anderen um seine Schwenkachse betätigbar, während über eine Verbindungsleitung zwischen den den beiden Operatoren zugeordneten Druckkammern eine Wechselwirkung zwischen den beiden Operatoren hergestellt wird.

Ein ähnlicher Operator nach Art eines Waagebalkens oder Schaukelbretts ist auch in der US-PS 35 90 694 dargestellt und beschrieben. Eine funktioneile Verbin dung zweier oder mehrerer nebeneinander liegender Operatoren in der Schichtkonstruktion ist dort allerdings nicht erwähnt.

Die FR-PS 20 90 307 beschreibt ein Logikelement in einer Fluidik-Schichikonstruktion, wobei in den einzelnen Kammern eine beiderseits eingespannte Membran durch Druckänderungen deformiert werden kann. Allerdings zeigt diese Schrift keinen Operator mit um eine mittlere Schwenkachse bewegbaren Operatorabschnitten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Vielseitigkeit der Steuermöglichkeiten wc-

sentlich zu verbessern, dabei aber die den bekannten Vorrichtungen eigenen Vorteile der Einfachheit und der wirtschaftlichen Herstellbarkeit beizubehalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die benachbarten Operatorabschnitte von mindestens zwei Operatoren mechanisch so miteinander verbunden sind, daß sie an der Verbindungsstelle den gleichen Weg zurücklegen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

In der nachfolgenden Beschreibung sind verschiedene Konstruktionsbeispiele zur Veranschaulichung spezieller Anwendungsgebiete und Funktionsmöglichkeiten der Erfindung, beispielsweise bei der Verfahrensregelung, der Verhältnisregehmg und der Digital/Analog-Umwandlung, offenbart. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind dabei anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. Ί eine perspektivische Darstellung eines flachen Betätigungselements, das einen Teil eines pneumatischen Verfahrensreglers bildet,

F! g. 2 einen lotrechten Teilschnitt zur Veranschaulichung der Bauteile der pneumatischen Verrichtung nach F ig. 1,

F i g. 3A bis 31 perspektivische Darstellungen einzelner Lagen der Schichtkonstruktion des gesamten Reglers mit dem Planar-Operator bzw. flachen Betätigungselement nach F i g. 1,

F i g. 4 einen waagerechten Schnitt durch eine Einheit zur Verhältnisregelung mit Merkmalen nach der Erfindung,

F i g. 5 einen teilweise schematischen lotrechten Längsschnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 4,

Fig.6 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Detailschnitt durch den pneumatischen Schalter,

Fig.7 einen teilweise schematischen Schnitt längs der Linie 7-7 in F i g. 4,

F i g. 8 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Verhältnisregeleinheit nach F i g. 4 zur Verwendung als industrieller Verfahrensregler.

Fig.9 eine Schnittansicht der Vorrichtung gemäß Fig.7.

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung einer präzise gesteuerten Kraft mittels eines biegbaren planen Segments,

Fig. 11 einen waagerechten Schnitt durch eine endweise Anordnung von angelenkten planen Operato ren und

F i g. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 in F i g. 11.

F i g-1 veranschaulicht schematisch einen pneumatischen Ve/fahrensregler mit einer allgemein bei 10 angedeuteten »Biege-« bzw. »Auslenkanordnung«. Diese Anordnung bildet einen Teil einer Schichtkonstruktion, deren einzelne Lagen in den Fig.3A bis 31 getrennt in perspektivischer auseinandergezogener Darstellung veranschaulicht sind.

Der Auslenkteil besteht aus zwei etwas federnden, aber im wesentlichen formbeständigen, einander angepaßten, dünnen Metallblechen bzw. -platten t2A, 12ß, die mit aufeinander ausgerichteten Ausschnitten bzw. Öffnungen versehen und so angeordnet sind, daß sie eine aus mehreren miteinander verbundenen Operatoren bestehende Operatoranordnung 14 und ein längliches Element 16 festlegen, das am einen Ende 18 auskragend verschwenkbar gehaltert ist.

Zwischen den beiden Platten 124,12ß ist eine dünne Dichtmembran 20 aus Gummi befestigt, die sich über die Ausschnitte in den Platten erstreckt und diese abdichtet und dabei die zu beiden Seiten der Auslenkanordnung herrschenden Drücke voneinander trennt dabei aber kleine Bewegungen der angelenkten Operatoranordnung 14 um seine Schwenkachse 22 und ähnliche kleine Bewegungen des angelenkten Elements 16 um seine auskragende Halterung 18 herum zuläßt Ein Ausschnitt 17 dient zur Festlegung einer zweckmäßigen Federwirkung bei diesen Bewegungen des Elements 16.

F i g. 1 gibt auch die bildliche Darstellung von Leitungen und dgL zur Veranschaulichung der Art und Weise wieder, auf welche die verschiedenen Teile des Verfahrensreglers miteinander zusammenwirken, um das endgültige Ausgangssignal für automatische Steueroder Regelzwecke zu liefern. Die in F i g. 1 nicht dargestellten Lagen der Schichtkonstruktion (vergl. F i g. 3A bis 31) schließen sich an die Auslenkanordnung 10 an und umgeben diese, wobei sie gemeinsam abgedichtete Druckkammern an speziellen Abschnitten der Operatoranordnung 14 und des angelenkten Elements 16 bilden, um die Opera^ranordnung unter Abdichtung zur Ermöglichung einer Sch Λ-enkbewegung um ihre Schwenkachse 22 herum zu haltern, and außerdem zahlreiche Verbindungskanäle zur Leitung von pneumatischen Drucksignalen zwischen den Druckkammci η und verschiedenen Arbeitsteilen festlegen.

Die schwenkbare Operatoranordnung 14 besteht aus zwei Operatoren mit auf gegenüberliegenden Seiten der Schwenkachse 22 befindlichen Teiien, von denen der eine aus einem einzigen, vergleichsweise großflächigen, zungenförmigen Abschnitt 30 unter der Schwenkachse und der andere aus zwei kleineren, getrennten zungenförmigen Abschnitten 23, 24 über der Schwenkachse besteht. Jeder Operatorabschnitt ist einstückig mit dem gemeinsamen Schwenkachsenbereich ausgebildet, so daß es damit mitbewegbar ist bzw. die Übertragung von getrennt steuerbaren Torsionskräften, d. h. Drehmomenten auf es zuläßt. Wie noch näher erläutert werden wird, bildet die Operatoranordriung 14 einen Teil einer Kraftausgleichanordnung, bei welcher die an den Schwenkachsenbereich angelegten Drehmomente automatisch im Gleichgewicht gehalten werden. Im unteren Abschnitt 30 ist ein rechteckiger Isolier-Ausschnitt 36 ausgebildet, welcher dk Operatoranordnung 14 wirksam gegenüber den gegenüberliegend angrenzenden, nicht bewegbaren, d. h. starr gehalterten Tragarm 38 des Außenumfangsteils der Auslenkplatten 12A 125 entkoppelt. Dieser Ausschnitt

so erstreckt sich quer, d. h. parallel zur Schwenkachse 22 wesentlich über die Seitenkanten des Tragarms hinaus und erreicht vorzugsweise, wie dargestellt, Punkte, die gegenüber den nahegelegenen Seitenkanten der beiden unabhängigen Abschnitte 32 bzw. 34 liegen. Dies bedeutet, daß der Isolier-Ausschnitt in gleicher Richtung mit den gegenüberliegenden Ausschnitten 40 und 42 liegt, welche die benachbarten Kanten der Abschnitte 32, 34 festlegen. Diese Ausbildung ist speziell vorteilhaft für die Ermöglichung der erforderlichen Schwenkbewegung des Operators, ohne starken Torsionswiderstand infolge des nicht bewegbaren AußenteÜs der Auslenkanordnung hervorzurufen, welcher durch die Wände der äußeren Gehäuse in meiner Lage festgehalten wird.

Wie auch aus Fig.2 ersichtlich ist, bilden die aneinander anliegenden Lagen der Schichtkonstruktion zwei Druckkammern 50,52 an den gegenüberliegenden Flächen des unteren Abschnitts 50, zwei weitere

Druckkammern 54,56 an den betreffenden gegenüberliegenden Flächen des rechten oberen Abschnitts 34 und noch zwei Druckkammern 58, 60 an den betreffenden gegenüberliegenden Flächen des angelenkten Elements 16.

Die flexible Dicht-Membran 20 verhindert einen Luftstrom durch die Ausschnittbereiche um die schwenkbare Operatoranordnung 14 und das angelenkte Element 16 herum. Auf diese Weise sind die einander gegenüberliegenden Druckkammern unter Ermöglichung unabhängiger Druckänderungen in ihnen wirksam gegeneinander abgedichtet. Der linke obere Abschnitt 32 erstreckt sich durch den abgedichteten Schwenkbereich 22 nach außen über die Außenwände der Schichtkonstruktion hinaus, ti h. in einen offenen, typischerweise auf Atmosphärendruck liegenden Raum hinein, während die Membran 20 nicht in diesen Bereich hineinreicht.

Wie erwähnt, ist die schwenkbare Operatoranordnung 14 eine Kraftausgleichvorrichtung, bei welcher die Drehmomente um die Schwenkachse 22 durch Gegenkopplungswirkung im Gleichgewicht gehalten werden. Die Rückkopplungssignale werden grundsätzlich durch eine pneumatische Stellungs-Abtastdüse 62 erzeugt, welche dem äußeren Operatorabschnitt 32 zugeordnet und über eine Ausgangsleitung 64 und eine Drossel 66 an die übliche Druckluftquelle von z.B. 1.4 kg/cm² angeschlossen ist. Die Düse 62 stellt im wesentlichen ein etwaiges Ungleichgewicht im Gesamt-Drehmoment um die Achse 22 fest, welches von Unterschieden zwischen den beiden, an den gegenüberliegenden Seiten des rechten Operatorabschnitts 34 anliegenden Drücken in den betreffenden Druckkammern 54,56 sowie zwischen den über die Druckkammern 50,52 an die beiden Seiten des unteren Operatorabschnitts 30 angelegten Drücken herrührt.

Der Druck in der Kammer 56 entspricht dem von einer Solldruckleitung 68 gelieferten sogenannten ,Stell«- oder »Solldruck«. In der gegenüberliegenden Kammer 54 herrscht der »Meß«- oder »Istdruck« von einer Leitung 70, die zu einem herkömmlichen, nicht dargestellten Meßinstrument, etwa einer Differentialdruckzelle od. dgl. führt. Die in den Kammern 50 und 52 herrschenden Drücke werden durch noch zu erläuternde pneumatische Rückkopplungskreise gesteuert, die auf die Stellungs-Abtastdüse 62 ansprechen.

Der Gegendruck der Düse 62 wird über die Leitung 64 zu einem Ausgangsrelais 72 geleitet und erzeugt ein entsprechendes Relaissignal, das zur Betätigung der genannten Rückkopplungskreise sowie als Ausgangsbzw. Regelsignal des Reglers dient, das heißt z. B. Ventilstellungen angibt, bei welchen Ist- oder Solldruck gleich groß gehalten werden. Wenn sich der geregelte Verfahrenszustand stabilisiert und Ist- und Solldruck konstant und gleich groß sind, sind die an der verschwenkbaren Operatoranordnung 14 anliegenden Drehmomente ausgeglichen, wobei die Operatoren so angeordnet sind, daß der Düsen-Gegendruck das richtige Regelsignal zur Aufrechterhaltung der stabilisierenden Ventilposition erzeugt.

Wenn Ist- und Sollwertsignal ungleich werden, erzeugt die dabei entstehende Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des oberen Operaiorabschnitts 34 ein Drehmoment um die Schwenkachse 22. Dieses Drehmoment ist bestrebt, die schwenkbare Operatoranordnung 14 zu verschwenken, wobei eine entsprechende Bewegung sowohl des unteren Abschnitts 30 als auch des Abschnitts 32 entsteht Dies bedeutet daß alle materialeinheitlich miteinander verbundenen Zungenabschnitte bestrebt sind, sich als Ganzes um die gemeinsame Schwenkachse herum zu bewegen. Infolgedessen ändert sich der Gegendruck der Düse 62 so, daß sich der Ausgangsdruck am Relais 72 entsprechend verändert.

Mit diesem Relais-Ausgangsdruck wird eine Gegenkopplungsleitung 74 beaufschlagt, die zur Druckkammer 52 hinter dem unteren Abschnitt 30 führt und dazu dient, die Gesamtdrehmomente an der Operatoranordnung 14 ausgeglichen zu halten. Wenn das Drehmoment durch eine Änderung des Ist- oder Sollwertdrucks kurzzeitig außer Gleichgewicht gelangt, erzeugt die resultierende Änderung des Relais-Ausgangsdrucks

eine entsprechende Änderung des Rückkopplungsdrucks in der Kammer 52, die gerade ausreicht, dem anfänglichen Drehmoment-Ungleichgewicht entgegenzuwirken. Wenn die Ausgleichbedingungen wieder hergestellt sind, stellt der neue Ausgangsdruck am Relais 72 das Regler-Ausgangssignal zur entsprechenden Neueinstellung des Verfahrensregdventils dar, um das Istwertsignal mit dem Sollwertsignal abzugleichen. Dieser Regler weist weiterhin eine Einrichtung auf zur Erzeugung einer Rückstellfunktion in seinem Ausgangssignal. Tatsächlich wird die Regel wirkung, d. h. das öffnen oder Schließen des Ventils, in Abhängigkeit von siner anhaltenden Abweichung zwischen Ist- und Sollvertsignal allmählich verstärkt. Diese Rückstellung wird durch einen positiven Rückkopplungskreis hervorgebracht, in welchem der Relais-Ausgangsdruck über eine positive Rückkopplungsleitung 76 zu einer variablen pneumatischen Rückstell-Drossel 78 geleitet wird. Diese Drossel ist als Teil einer Doppeldrosselanordnung 80 dargestellt und besitzt die Form einer sogenannten »Ritzspalt«-Drossel bekannter Konstruktion. Vom Auslaß 82 der Rückstelldrossel 78 verläuft der Rückstellkreis weiter über den üblichen, vergleichsweise großes Fassungsvermögen besitzenden Behälter bzw. »Speicher« 84 und eine Dämpfungsdrossel 85 zur unteren Druckkammer 60 hinter dem angelenkten Element 16.

Dieses Element 16 dient hauptsächlich für die pneumatische Trennung bzw. Isolierung und wirkt als 1 :1-Wiederholer, der in der vorderen Kammer 58 einen dem Rückstelldruck in der hinteren Kammer 60 entsprechenden Druck erzeugt. Zu diesem Zweck ist die vordere Kammer 58 über eine feste Drossel 85 mit einer Druckluftquelle von z. B. 1.4 kg/cm² verbunden, und eine Entlüftungsdüse 88 ist in der Kammer neben dem Element 16 vorgesehen, so daß das Ausmaß der Entlüftungsdrosselung in Abhängigkeit von der Stellung des Elements eingestellt wird. Wenn der in der vorderen Kammer 58 herrschende Druck vom Rückstelldruck in der hinteren Kammer 60 abweicht, wird das Element 16 durch den resultierenden Druckunterschied verlagert, so daß es die durch die Entlüftungsdüse bewirkte effektive Drosselung verändert und dabei die ausgeglichenen Druckverhältnisse wieder herstellt. Der in der Kammer 58 herrschende Druck wird somit gleich dem Rückstelldruck in der gegenüberliegenden Kammer 60 gehalten.

Der wiederholte Rückstelldruck wird von der Kammer 58 über eine Druckminder-Drossel 90 und eine Dämpf-Drossel 91 an die Druckkammer 50 vor dem unteren Abschnitt 30 der schwenkbaren Operatoranordnung 14 angekoppelt Der in der Kammer 50 herrschende Druck ist bestrebt, dem durch den Druck in der hinteren Kammer 52 erzeugten Gegenkopplungs-

Drehmoment entgegenzuwirken bzw. dieses zu reduzieren, und kann daher als eine gewisse »positive« Rückkopplung gewährleistend angesehen werden. Die dynamischen Eigenschaften der positiven Rückkopplungswirkung hä'.igen, wie bei herkömmlichen pneumatischen Rückstellkreisen, von der Einstellung der Rückstell-Drossel 78 sowie von der Größe anderer fester Parameter des Rückstellkreises ab. Die auf die schwv «kbare Operatoranordnung 14 einwirkenden Drehmomente werden jedoch stets durch die Gegenkopplungswirkung der Abtastdüse 62 im Gleichgewicht gehalten.

Die Doppel-Drosselanordnung 80 weist eine zweite einstellbare »Ritzspalt«-Drossel 92 auf, die über eine Leitung 93 zwischen dem Relaisausgangsdruck und der festen Druckreduzier-Drossel 90 mit der Wiederholer-Ausgangskammer 58 verbunden ist. Diese zweite Drossel 92 ist daher wirkungsmäßig mit der festen Drossel 90 in Reihe geschaltet, und beide Drosseln wirken gemeinsam fiinktionsmäßig als Druckteilernetz: das an der Verzweigung zwischen den beiden Drosseln einen Druck mit einer Größe auf irgend einem Wert zwischen dem Ausgangs- und dem Rückstelldruck liefert. Die tatsächliche Größe dieses positiven Rückkopplungsdrucks ist eine Fun!«Mon des Verhältnisses 2S zwischen der festen und der variablen Rückstell-Drossel 90 bzw. 92. Dieser positive Rückkopplungsdruck wird über die Dämpfungs-Drossel 91 zur positiven Rückkopplungskammer 50 geführt. Es ist mithin ersichtlich, daß das Ausmaß der »Proportionierwirkung« durch die Einstellung der einstellbaren Drossel 92 bestimmt wird.

Vi -teilhafterweise sind die dem planen pneumatischen Regler zugeordneten festen pneumatischen Drosseln in der Auslenkanordnung 10 ausgebildete, kleine Löcher oder Bohrungen. Gemäß F i g. 3C, 3D und 3E bilden daher miteinander fluchtende Bohrungen die Drosseln, die mit den an anderer Stelle der Beschreibung benutzten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Art und Weise, auf welche diese Drosselbohrungen in die zugeordneten pneumatischen Kreise eingeschaltet sind, «o ist in der US-PS 35 93 734 näher erläutert. Gemäß dieser US-PS werden außerdem zur Herstellung der gewünschten Verbindungen in den Gußstücken der Schichtanordnung ausgebildete Pneumatik-Kanäle verwendet Das Gußstück gemäß Fig.3A ist ebenfalls mit einem erweiterten Abschnitt 84>4 versehen, der als der einstellbare Ritzspalt-Drossel 78 zugeordneter Rückstell-Speicher 84 zur Einstellung des Ausmaßes der Rückstellwirkung dient

Die Drossel-Anordnung 80 ist in der US-PS 37 17 162 so näher erläutert, weshalb an dieser Stelle auf ihre genaue Beschreibung verzichtet wird.

Die F i g. 3A bis 31 sind perspektivische Darstellungen der Schichtabschnitte, die zur Bildung des Reglers in einer Schichtkonstruktion miteinander kombiniert werden. Der mittlere Abschnitt bildet die Auslenkanordnung 10, die die schwenkbare Operatoranordnung 14 enthält Diese Auslenkanordnung ähnelt dem Operator gemäß der genannten US-PS 35 90 694 und weist die beiden äußeren Abschnitte 12A 125 aus dünnem Federmetall auf, die — z. B. mittels Epoxyharzes — an den betreffenden Seiten der zugeordneten Gummi-Dichtmembran 20 angeklebt sind. An den beiden Seiten der Auslenkanordnung befinden sich Dichtungen 95,96.

Diese Dichtungen 95,96 stellen an der einen Seite die erforderliche Druckabdichtung für das obere Gußstück 97 und an der anderen Seite für die Basis- oder Sockel-Schichtung 98 her. Letztere besteht aus einem Kammer-Gußstück 98/4, das an einer dünnen Deckplatte 98ß angeklebt ist, welche die verschiedenen, in der abgewandten Seite des Kammer-Gußstücks ausgebildeten pneumatischen Kanäle verschließt bzw. abdichtet und dabei Druckleitungen bildet, ähnlich den Druckleitungen beim pneumatischen Rechner gemäß der US-PS 33 71 862.

Der Endabschnitt der Schichtkonstruktion besteht aus einer vergleichsweise steifen Grundplatte 99 mit Zugangsöffnungen zur Herstellung von Verbindungen zwischen dem Regler und anderen Elementen der Regelanlage. Diese Zugangsöffnungen enthalten eingesetzte O-Ringe aus Gummi zur Abdichtung der Verbindung zwischen dem Regler und der nicht dargestellten Pneumatik-Schalttafel, an welcher dieser Regler montiert ist.

In den Fig.4 bis 7 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer planen bzw. flachen Kraftausgleich-Vorrichtung dargestellt, die in diesem Fall zur Lieferung eines Ausgangssignals dient, dessen Größe in einem vorbestimmten, aber einstellbaren Verhältnis zu einem variablen Eingangssignal steht. Diese Vorrichtung weist eine im wesentlichen rechteckige Schichtkonstruktion auf, deren eine Lage eine allgemein bei 100 angedeutete Auslenkanordnung aus zwei dünnen, flachen Lagen 102 aus steif-flexiblem Metall aufweist, welche mit einer Zwischenlage 103 aus einem nachgiebigen Material, wie Gummi, schichtartig zusammengesetzt sind. Beide Lagen 102 sind identisch und beispielsweise durch Stanzen oder Ätzen hergestellt, wobei eine Reihe von Öffnungen einen Außenumfangsabschnitt festlegen und ein Innenabschnitt eine bei 104 angedeutete schwenkbare Operatoranordnung aufweist.

Eine dieser Öffnungen bzw. Aussparungen 105 umreißt einen vergleichsweise großen, ungefähr dreiekkigen Zungenteil 106 (F i g. 4), der längs einer Seite des allgemein bei 108 angedeuteten Schwenkachsenbereichs verläuft. Der an der anderen Seite des Schwenkachsenbereichs liegende Abschnitt der Ausienkanordnung ist mit einer Anzahl von ungefähr U-förmigen Aussparungen UO, 112, 114, 116 versehen, die mehrere — bei der dargestellten Ausführungsform vier — vergleichsweise kleine, nebeneinanderliegende Zungenabschnitte 118, 120, 122, 124 festlegen, welche sämtlich mit dem großen Zungenteil 106 einstückig verbunden sind. Außerdem ist in den Metall-Lagen 102 eine Reihe von kleinen, im wesentlichen rechteckigen Trennöffnungen 126,128,130 ausgebildet, die eine freie Schwenkbewegung des Zungenteils 106 ermöglichen.

Die Schichtkonstruktion weist weiterhin Gehäuseteile 132, 134 mit Wänden 136, 138 auf. die als Schwenklager für die plane Operatoranordnung 100 im zugeordneten Schwenkbereich 108 dienen. Gemäß Fig.4 kann diese Schwenkachse in bestimmten Anwendungsfällen diagonal über die Operatoranordnung verlaufen, so daß verschiedene Wirkflächen für die Zungenabschnitte 118—124 entsprechend einem votbestimmten Schema gebildet werden, d. h. mit vom einen Ende der Schwenkachse zum anderen abnehmender Oberfläche. Die Wirkflächen der getrennten Zungenabschnitte sind auch zur Anpassung an einen speziellen Anwendungsfall entsprechend ihrer Breiten steuerbar.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind alle Operatorabschnitte 106 und 118—124 an ihren Unterseiten mit entsprechenden Druckkammern zur Anlegung von regelbaren Drücken an die betreffenden Zungen versehen. Der untere Gehäuseteil 134 weist daher weitere Wände auf, die im Zusammenwirken mit

den verschiedenen Zungen der planen Operatoranordnung 104 eine Reihe von abgedichteten Druckkammern 140, 142, 144, 146, 148 festlegen, von denen jede einen Einlaß 150, 152, 154, 156 bzw. 158 aufweist, in den Druckfluidum eingelassen werden kann, welches die Unterseiten der betreffenden Zungensegmente mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt.

Vier pneumatische Schalter 160,162,164,166 dienen als Einrichtung zur Steuerung des Eingangssignals zu den betreffenden, den nebeneinander befindlichen to Zungensegmenten zugeordneten Druckkammern 142 bis 148. Diese Schalter sind zur Veranschaulichung ihrer Funktion als von Hand betätigbare Drehschalter (F i g. 6) dargestellt, doch werden bei einer wirtschaftlich verwertbaren Ausführungsform der Erfindung selbstverständlich normalerweise andere, bekannte Arten von pneumatischen Schaltern vorgesehen. Beispielsweise können die Schalter als materialeinheitliche Teile der Schichtkonstruktion, z. B. im äußeren Gehäuse, angeordnet werden.

Die Schalter 160—166 ermöglichen die Verbindung bzw. die Trennung der Druckkammern 142—148 mit bzw. von einer einen Eingangssignaldruck führenden Eingangsdruck-Leitung 168. In der anderen Schalterstellung können die einzelnen Druckkammern wahlweise tuch zur Außenluft hin entlüftet werden.

Die unter dem großflächigen Operatorteil 106 befindliche Druckkammer 140 weist eine Pneumatik-Düse 170 auf, deren Düsenöffnung sich dicht an der Unterseite des Operatorteils befindet, der als Klappe zur Regelung der effektiven Düsenöffnung dient. Das abgewandte Ende der Düse ist zur Außenluft entlüftet. Ein Einlaß 150 zur Kammer 140 ist über eine Drossel 172 mit einer Druckluftquelle von z.B. 1,4 kg/cm² verbunden. Bei dieser Anordnung wird der in der Kammer herrschende Druck durch den Abstand zwischen der Düsenöffnung und dem Zungenteil geregelt.

Die in den F i g. 4 bis 7 dargestellte Verhältnisregelvorrichtung erzeugt in einer Ausgangsleitung 174 ein Ausgangsdrucksignal, das in einstellbar geregelter Beziehung zu einem Eingangsdrucksignal in der Eingangsleitung 168 steht.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Durch die gewählte Einstellung der Schalter 160-166 wird bestimmt, welche der Kammern 142—148 das Eingangsdrucksignal von der Leitung 168 empfängt, wodurch auch die Größe des durch die gemeinsame Wirkung der nebeneinander angeordneten Zungenabschnitte entwikkelten Gesamt-Eingangsdrehmoments um die Schwenkachse 108 bestimmt wird. Dieses Eingangs-Drehmoment ist bestrebt, die Operatoranordnung 100 so zu verschwenken, daß sich der großflächige Zungenteil 106 auf die Düse 170 zu bewegt. Hierdurch wird die Drosselwirkung der Düse vergrößert und der Druck in der Kammer 140 erhöht, wodurch das durch den Zungenteil 106 erzeugte Gegen-Drehmoment um die Schwenkachse vergrößert wird. Der in der Kammer 140 herrschende Druck wird somit automatisch auf einem Wert gehalten, welcher dem durch den Eingangsdruck erzeugten Gesamtdrehmoment entspricht, d.h. die Gegenkopplungswirkung hält einen Ausgleich der Drehmomente aufrecht.

Die gewählten Stellungen der Schalter 160—166 bestimmen das durch die Zungenabschnitte 118—124 in <a Abhängigkeit vom Eingangsdrucksignai auf der Leitung 168 um die Schwenkachse 108 erzeugte gesamte bzw. kumulative Eingangsdrehmoment, und der Ausgangsdruck in der Leitung 174 entspricht der Größe dieses gesamten Drehmoments. Ändert sich der Eingangsdruck in der Leitung 168, so tritt eine entsprechende Änderung des Ausgangsdrucks auf, so daß die beiden Drücke in einer festen Beziehung zueinander verbleiben. Durch Änderung der gewählten Schalterstellungen kann das gesamte bzw. kombinierte Drehmoment ohne Änderung des Eingangsdrucks geändert werden, wobei die Rückkopplungswirkung der Düse 170 automatisch den Ausgangsdruck ändert, um die Drehmomentkräfte ausgeglichen zu halten. Folglich bestimmen die Schalterstellungen das Verhältnis zwischen Ausgangs-und Eingangsdrücken.

Durch Anordnung der Flächen der Zungenabschnitte 118—124 entsprechend einem »Wiegeplan« in Digitalwerten läßt sich die Vorrichtung als Digital/Analog-Wandler verwenden. Dabei können die Fläcnen beispielsweise so gewählt werden, daß jede Zunge eine der Hälfte der vom einen Ende zum anderen in der Reihe nächstfolgenden Zungen entsprechende Fläche aufweist, wodurch eine Umwandlung von einem binären Digitai-Eingangssignal auf ein Analog-Ausgangssignal gewährleistet wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 werden die Drücke nur an die Unterseiten der Operatoranordnung 104 angelegt, während die über ihm befindlichen Räume zur Außenluft hin entlüftet sind. In manchen Fällen lassen sich auch regelbare Drücke sowohl an die Oberais auch an die Unterseite anlegen, wodurch die Vielseitigkeit der Vorrichtung für eine Vielfalt von Anwendungszwecken erhöht wird. Gemäß F i g. 8 und 9 können beispielsweise über den betreffenden Zungen der Operatoranordnung regelbare Druckkammern 200, 202,204,206,208 vorgesehen sein.

Eine derartige Vorrichtung kann z. B. als Verfahrensregler eingesetzt werden, wobei die einzelnen Druckkammern 142—148 und 202—208 über zugeordnete pneumatische Sehaiicf 160—166 bzw. 212—218 entweder mit einer einen vom zu regelnden Verfahrenszustand abhängigen Druck führenden Meß- oder Istwertleitung 220 oder mit einer Sollwertleitung 222 verbindbar sind, welche einen für den /erfahrenszustand gewünschten Wert des Drucks führt. Das Ausgangssignal auf der Leitung 174 ist in diesem Fall auch über eine Drossel 224 und einen nicht dargestellten Speicherbehälter an die Druckkammer 200 über dem großen Zungenteil 106 angeschlossen, um eine verzögerte Rückkopplungswirkung zu erzielen, die den als »Rückstellung« bezeichneten Verfahrensreglereffekt erzeugt.

Die Stellungen der Schalter 160-166 und 212-218 bestimmen das durch die Zungenabschnitte 118—124 in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Abweichung zwischen Istwert- und Sollwertsignal erzeugte Gesamtdrehmoment und bestimmen dabei die Größe der anfänglichen Änderung des Ausgangsdrucks in der Leitung 174, die durch diese Abweichung hervorgerufen wird. Die Schalter gewährleisten somit einen einstellbaren »Proportionierungsbereich« für den Regler.

Es ist zu beachten, daß bei einem Verfahrensregler der Istwertdruck bestrebt ist, sich schließlich dem Sollwertdruck anzugleichen. Wenn das Verfahren unter Regelung steht, ist keine Gesamt-Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Operatoranordnung 104 vorhanden. Infolgedessen wirkt auch kein nennenswertes Biegedrehmoment auf eine der Operatorzungen während der kritischen Phase des Reglerbetriebs ein. wenn maximale Regelgenauigkeit gewünscht wird.

Hie-uc'ch kam. gute Genauigkeit erreicht werden, ohne daß ein exaktes Verhältnis zwischen dem angelegten Differenzdruck und dem entsprechenden, durch die Operator-Zungen entwickelten Drehmoment erforderlich ist.

In einigen Fällen kann es günstig Sfin, ein Drehmoment durch Biegung der Operatorzunge über einen vergleichsweise großen Hub hinweg zu erzeugen, bei dem es normalerweise schwierig wäre, ein genau gesteuertes Drehmoment durch die Zunge zu erzielen. Für Digitaleingangszwecke, bei denen das Drehmoment entweder Null betragen oder ein vorbestimmter konstanter Wert sein muß, kann das Drehmoment mit einer Vorrichtung der in Fig. 10 dargestellten Art innerhalb annehmbar genauer Grenzen geregelt werden.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 10 ist die Operator-Zunge 250 für eine vergleichsweise großen Winkelbewegung zwischen ihrer normalen, flachen »Nullstellung — in ausgezogenen Linien dargestellt — und einer strichpunktier eingezeichneten Betätigungsstellung 250A ausgc'-igt. In der letztgenannten Stellung wird eine weitere Bewegung der Zunge durch eine Stellschraube 252 verhindert, gegen welche die Zunge zur Ruhe kommt. Auch wenn der in der Kammer 254 herrschende Druck nicht genau auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, wird die Zunge, solange der Druck ausreichend groß ist, stets in der vorbestimmten Winkelstellung ihres Hubs angehalten, wodurch ein genau gesteuertes Drehmoment erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform weist die Membran 256 einen schlaffen bzw. Faltenabschnitt 256Λ auf, welcher die vergleichsweise große Winkelbewegung zuläßt Gewünschtenfalls kann ein zweiter mechanischer Anschlag 258 für die Nullstellung vorgesehen sein.

Die Fig. 11 und 12 zeigen noch eine weiter abgewandelte pneumatische flache Vorrichtung mit Schichtkonstruktion, die in einer Lage mehrere schwenkbare Operatoren 3üö, 3Ö2 aufweist, weiche praktisch in der gleichen Ebene endweise, d.h. hintereinander angeordnet sind. Jeder Operator ist an den betreffenden Schwenkbereichen unter Abdichtung gehaltert, wobei die Schwenkachsen parallel verlaufen. Die äußeren Gehäuselagen dieser Vorrichtung bilden drei Druckkammern 308,310,312 über den Operatoren sowie drei entsprechende Kammern 314,316,318 unter ihnen.

Die benachbarten Enden 320, 322 der Operatoren 300, 302 sind durch ein flexibles Verbindungsstück 324, z. B. in Form eines metallenen, membranartigen Elements miteinander verbunden, welches die Drücke über und unter den Operatoren trennt und gleichzeitig zumindest kleine relative Winkelbewegungen zwischen den beiden Operatoren zuläßt Die miteinander verbundenen Operatsrenden sind infolgedessen gezwungen, sich bezüglich translatorischer Bewegung senkrecht zur Wirkungsebene der beiden Operatoren miteinander zu bewegen.

Fünf der Druckkammern 308—316 werden über entsprechende Einlasse mit getrennt regelbaren Drükken gespeist. Die sechste Druckkammer 31R enthält ei'.le Meßdüse 330, deren öffnung mit der Unterseite des Operators 320 zusammenzuwirken vermag. Das abgewandte Ende der Düse ist zur Außenluft hin entlüftet, und die Kammer wird über die übliche pneumatische Drossel mit Druckluft beschickt, so daß in einer Ausgangsleitung 334 ein Ausgangssignal erzeugt wird. Auf diese Weise stellt sich der in der Kammer 318 herrschende Druck automatisch auf den Wtrt ein, der zum Ausgleichen des über die Schwenkdichtung 306 übertragenden Gesamt-Drehmoments erforderlich ist. Hierdurch werden auch die Drehmomente über die andere Schwenkdichtung 304 ausgeglichen, so daß das Gerät an allen miteinander verbundenen planen

is Operatoren in Kraftausgleichzustand gehalten wird. Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwar nur zwei derartige plane Operatoren dargestellt, doch besteht keine theoretische Beschränkung der Zahl der abgewandten Operatoren, die selbstverständlich vom jeweiligen Anwendungsfall abhängt.

Eine Vorrichtung mit zwei Operatoren, wie sie in den Fig. 11 und 12 veranschaulicht ist, kann beispielsweise zur weitgehenden Verringerung des Biegeausschlags eines angelenkten Operators dienen, welcher zum Wiederausgleichen einer variablen Eingangskraft benutzt wird, z. B. einer in einem Differenzdruck-Strömungsmeßsystem entwickelten Kraft. Bei einer derartigen Anordnung könnte der Differenzdruck über die mittleren Operatorbereiche, d. h. die Kammern 310,316 angelegt werden, während der Druckunterschied durch die Düse 330 gemessen wird. Das Ausgangssignal von der Leitung 334 könnte als Gegenkopplung an das linke Ende 340 des linken Operators 300 angelegt werden. Dabei begrenzt dieser Operator über seine Verbindung 324 den Biegeausschlag des zweiten Operators 302 und vermindert dabei jegliche Verzerrung des Ausgangssignals, die von diesem Ausschlag herrühren könnte.

Zusammenfassend kann mit der Erfindung mithin eine pneumatische instrumentierungsvorrichtung bzw. Armatur in Planarbauweise und Schichtkonstruktion geschaffen werden, die in enter Schicht eine steif flexible Metallplatte mit Aussparungen aufweist und eine flache innere Operatoranordnung festlegt, welche an einem dazwischen befindlichen Schwenkachsenbereich unter Abdichtung schwenkbar gehaltert ist.

Die Operatoranordnung weist zwei getrennte, aber materialeinheitliche Abschnitte auf, die sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Schwenkachse befinden. Einer dieser Abschnitte ist in eine Anzahl von

so nebeneinanderliegenden, jeweils materialeinheitlich mit dem Schwenkachsenbereich ausgebildete Operatorabschnitten unterteilt die so angeordnet sind, daß sie getrennte Drehmomente auf die Schwenkachse ausüben oder sich in Abhängigkeit von durch den anderen Abschnitt der Operatoranordnung ausgeübten Kräften mitbewegen. Diese mehrere Operatoren umfassende, schwenkbare Operatoranordnung ist in einer Vielfalt von Geräten verkörpert, einschließlich Verfahrensreglern, einer Verhältnisregeleinheit und eines Digital/Analog-Wandlers.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Durch ein Strömungsmittel betätigbare, zur Steuerung oder Regelung von Verfahrensanlagen bestimmte Vorrichtung mit unter Wirkung des Strömungsmittels schwenkbaren Operatoren, die jeweils zwei bezüglich ihrer Schwenkachse einander gegenüberliegende und über die Schwenkachse hinweg materialeinheitlich miteinander verbundene Operatorabschnitte aufweisen, wobei zum Verschwenken jedes Operators durch das Strömungsmittel eine Betätigungskraft auf mindestens einen der Operatorabschnitte aufgebracht wird und wobei an mindestens einem anderen Operatorabschnitt ein Ausgangssignal abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Operatorabschnitte (30; 100; 320; 322) von mindestens zwei Operatoren (32, 34; 118, 120, 122, 124; 300, 302) mechanisch so miteinander verbunden sind, daß sie an der Verbindungsstelle den gleichen Weg zurücklegen.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1. wobei die Operatorabschnitte in gegeneinander abgedichteten Druckräumen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch miteinander verbundenen verschiedenen Operatoren angehörenden Operatorabschnitte (30; 106; 320, 322) in jeweils einem einzigen Druckraum (50,52; 140; 310,316) liegen.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. wobei die Schwenkachsen von mindestens zwei Operatore * miteinander fluchten, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander mechanisch verbundenen, jeweils unterschiedlichen Operatoren angehörenden Operatorabschnr.te(30-.106) materialeinheitlich ausgebildet sind.

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einen Operatorabschnitt (34) von mechanisch miteinander verbundenen Operatoren (30, 32, 34) eine Betätigungskraft ausgeübt wird und auf einen zweiten Operatorabschnitt (30) eine Gegenkraft wirkt, die nach Maßgabe eines Ausgangssigrals erzeugt wird, welches an einem dritten Operatorabschnitt (32) abgegriffen wird, wobei diese drei Operatorabschnitte in jeweils getrennten Druckräumen (50,52,54,56) liegen.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungen zwischen jeweils verschiedenen Operatoren angehörenden Operatorabschnitten (30; 106) jeweils einen Abstand (36; 126, 128, 130) zur Schwenkachse aufweisen.

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben jedem Operatorabschnitt (250) ein mechanischer Anschlag (252) zur Begrenzung der Schwenkwege der Operatorabschnitte (250) vorgesehen sind, wodurch der Drehmomentbeitrag jedes Operatorabschnitts regelbar ist

7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindlichen Flächen der in jeweils eigenen Druckräumen (142, 144, 146, 148) liegenden Operatorabschnitte (118, 120, 122, 124), welche über Schwenkachsen mit den mechanisch verbundenen Operatorabschnitten zusammenwirken, nach einem festgelegten Stufenschema so angeordnet sind, daß durch selektive Betätigung verschiedener Kombinationen

der einzelnen Druckkammern (142—148) ein weiter Bereich möglicher Gesamtdrehmomente an den miteinander verbundenen Operatorabschnitten erzielbar ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachsen von mindestens zwei Operatoren (300, 302) parallel zueinander angeordnet sind und die mechanisd?e Verbindung (324) flexibel an den einander zugewandten Enden (320, 322) der Operatorabschnitte verschiedener Operatoren ausgebildet ist