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Pneumatischer Verstärker Die Erfindung betrifft einen pneumatischen
Verstärker mit einem Gehäuse sowie einem kolbenförmigen und einem hohlgebohrten
Steuerkörper, welche in dem Gehäuse relativ zueinander verschiebbar sind und zusammen
ein den Luftauslaß in die Atmosphäre steuerndes erstes Ventil bilden, mit einem
weiteren zwischen Gehäuse und einem der beiden Steuerkörper gebildeten zweiten Ventil
zum Steuern der Zuluft nach einem Ausgang und einem auf den jeweils anderen Steuerkörper
einwirkenden variablen Eingangsdruck.
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Derartige Verstärker werden hauptsächlich in Verbindung mit pneumatischen
Reglern verwendet, in denen ein Vergleichssystem ein Düse-Prallplatte-System steuert,
welches wiederum den Eingangsdruck für den Verstärker liefert.
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Von der Arbeitsweise her unterscheidet man im wesentlichen Drosselverstärker
und Alternativverstärker. Der erstere zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau
aus; als nachteilig ist jedoch in erster Linie sein hoher Eigenluftverbrauch anzusehen.
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Beim Alternativverstärker tritt im Betrieb lediglich ein vernachlässigbarer
Luftverbrauch
auf. Bei konstantem Eingangsdruck ist der Eigenluftverbrauch sehr yering.
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Diesem Vorteil steht in erster Linie der Nachteil des Auftretens eines
Umsteuerfehlers gegenüber. Der Umsteuerfehler entsteht bi Alternativverstärkern
dadurch, daß beim Umsteuern von dem einen in den anderen Zustand eine zusätzliche
Kraft überwunden werden muß. Diese zusätzlich zu überwindende Kraft entsteht durch
Wirkung des Zuluftdruckes auf das Einlaßventil und hat mindestens die Größe "Zuluftdruck
mal Einlaßquerschnitt".
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Beiden Verstärkertypen gemeinsam ist ihre Vordruckabhängigkeit.
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Um pneumatische Stellantriebe noch schneller zu machen, ging man dazu
über, den am Stellantrieb montierten Stellungsregler mit einem höheren Zuluftdruck
als dem genormten (1,4 bar) zu beaufschlagen (z.B. 3,5 oder 6 bar). Bei allen diesen
Drücken soll ein im Regelsystem vorhandener pneumatischer Verstärker gleich gut
arbeiten.
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Verstärker der eingangs genannten Art sind in vielen Ausführungsformen
im Stand der Technik vorhanden und beispielsweise mit ihren Eigenschaften in der
Zeitschrift "ATM", Januar 1964, Seite 13 - 16 beschrieben.
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Ein Verstärker, der infolge eines speziell ausgebildeten Steuerknochens
hinsichtlich des Vordruckcs im wesentlichen unabhängig ist und keinen Umsteuerfehler
aufeist, ist in der DT-OS 2 116 197 beschrieben. Der dort beschriebene Verstärker
weist jedoch einen ständigen nicht zu vernachlässigenden Luftverbrauch auf. Weiterhin
besteht eine schlechte Linearität zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck. er bekannte
Verstärker ist zudem empfindlich gegen verschmutzte Zuluft.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen pneumatischen
Verstärker anzugeben, D der alle Vorteile der eingangs genannten Verstärker aufweist
D ohne deren Nachteile zu besitzen.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten
Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
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Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Schnittbild des pneumatischen Verstärkers gemäß der Erfindung in seinem
schematischen Aufbau in Zusammenwirkung mit einem Düse-Prallplatte-System und Figur
2 einen Axialschnitt durch einen konstruktiv durchgebildeten pneumatischen Verstärker
gemäß der Erfindung.
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Gemäß Figur 1 ist eine Zuluftleitung Z über eine Vordrossel 1 auf
eine einer Prallplatte 3 gegenüberstehende Düse 2 geführt.
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Zwischen Düse 2 und Vordrossel 1 ist die den Verstärker steuernde
Eingangsleitung E angeschlossen. Der Verstärker selbst besteht aus einem Gehäuse
4, in welchem ein erster kolbenförmiger Steuerkörper 5 sowie ein zweiter hohlgebohrter
Steuerkörper 6 axial beweglich angeordnet sind. Der kolbenförmige Steuerkörper 5
ist an zwei Ringmembranen 7 und 8 mit unterschiedlichen wirksamen Durchmesern d1
und d2 aufgehängt. An einen durch den kolbenförmigen Steuerkörper 5, die Ringmembran
7 und das Gehäuse 4 abgeschlossenen Druckraum 9 ist die den Steuerdruck führende
Eingangsleitung E angeschlossen. Andererseits ist an einen durch die beiden Ringmembranen
7 und 8, den kolbenförmigen Steuerkörper 5 und das Gehäuse 4 abgeschlossenen Druckraum
10 die Zuluftleitung Z angeschlossen. Der kolbenförmige Steuerkörper 5 wirkt mit
einer Kegelfläche 11 mit einem rohrförmigen Ansatz 12 am hohlgebohrten Steuerkörper
6 zusammen, wobei der rohrförmige Ansatz 12 eine umlaufende Sitzkante 13 mit dem
Durchmesser d2 bildet. Der hohlgebohrte Steuerkörper 6 ist an einer Ringmembran
14 mit dem wirksamen Durchmesser d2 aufgehängt. Er weist an seinem unteren Ende
eine sich kegelförmig erweiternde Außenkontur 15 auf, welche mit einer umlaufenden
Ringkante 16 im Gehäuse 4 zusammenarbeitet. An einen durch die Ringmembran 14 und
den Ventilsitz 16 abgeschlossenen
Druckraum 17 ist ebenfalls die
Zulunftleitung Z angeschlossen. Die umlaufende Sitzkante 16 im Gehäuse 4 weist den
Durchmesser d2 auf. Eine den gesteuerten Ausgangsdruck abführende Ausgangsleitung
A ist an einen Druckraum 18 angeschlossen, der durch den hohlgebohten Steuerkörper
6 und eine darunterliegende Ausnehmung im Gehäuse 4 gebildet wird. Das zwischen
dem hohlgebohrten Steuerkörper 6 und dem Gehäuse 4 gebildete Ventil 15,16 wirkt
als Einlaßventil und steuert die Zuluft nach dem Ausgang. Andererseits wirkt das
durch die beiden Steuerkörper 5 und 6 gebildete Ventil 11,13 als Auslaßventil, indem
es den auf dem Ausgangsdruck befindlichen Druckraum 18 mit einer in die Atmosphäre
führenden Abblasöffnung 19 verbindet.
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Der untere hohlgebd-rrte Steuerkörper 6 ist zwar dem Zuluftdruck Z
und dem Ausgangsdruck A ausgesetzt, jedoch so, daß beide Drücke keine Wirkung ausüben.
Der Zuluftdruck Z wirkt zwischen Einlaßsitz 16 und der Ringmembran 14 gleich stark
nach unten wie nach oben und der Ausgangsdruck A wirkt von unten gleich stark nach
oben, wie am Auslaßsitz 13 von oben nach unten.
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Der obere kolbenförmige Steuerteil 5 wird vom Zuluftdruck Z,vom Eingangsdruck
E und vom Ausgangsdruck A beaufschlagt. Der Zuluftdruck Z wirkt zwischen den beiden
Ringmembranen 7 und 8 nach oben, der Eingangsdruck E oberhalb der oberen Ringmembran
7 nach unten und der Ausgangsdruck A im Auslaßsitz 13 nach oben.
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Die Ventilsitze 13 und 16 sind so ausgebildet, daß der Auslaßsitz
13 im geschlossenen Zustand so wenig wie möglich Luft hindurchläßt, wohingegen der
Einlaßsitz 16 absichtlich eine kleine Undichtheit aufweist, z.B. eine nicht dargestellte
kleine Kerbe in der Dichtkante.
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Wird der Zulftdruck Z bei offenem Düse-Prallplatte-System 2,3engeschaltet,
so bleibt das Einlaßventil 15,16 geschlossen und das Auslaßventil 11,13 wird aufgrund
des zwischen den beiden Ringmembranen 7 und 8 nach oben wirkenden Zuluftdruckes
geöffnet.
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Nähert man nun die Prallplatte 3 der Düse 2, so steigt der Eingangsdruck
E uhd führt den kolbenförmigen Steuerkörper 5 nach Überwindung der zwischen den
beiden Ringmembranen 7 und 8 nach oben gerichteten Zuluftdruckwirkung nach unten.
Kurz bevor der obere Steuerkörper 5 den unteren Steuerkörper 6 berührt, beginnt
sich der Ausgangsdruck A aufzubauen und wirkt dem Eingangsdruck.E entgegen. Wegen
der erwähnten Undichtheit im Einlaßventil 15,16, die wie die Vordrossel eines Düse-Prallplatte-Systems
wirkt, steuert der Eingangsdruck E den Ausgangsdruck A, ohne daß der obere Steuerkörper
5 den unteren Steuerkörper 6 berührt. Zu erwähnen ist hier, daß der Eingangsdruck
E stets ein höheres Niveau als der Ausgangsdruck A aufgrund der zusätzlich zu überwindenden
Zuluftdruckwirkung zwischen den beiden Ringmembranen 7 und 8 aufweist. Änderungen
des Eingangsaruckes E werden jedoch gut proportional entsprechend der wirksamen
Durchmesser d1 und d2 am Ausgang A abgebildet. Ist der Ausgangsdruck A zu niedrig,
so schließt der kolbenförmige Steuerkörper 5 das Auslaßventil 11,13, drückt den
unteren hohlgebohrten Steuerkörper 6 ohne zusätzliche Kraft überwindung nach unten
und öffnet das Einlaßventil 15,16. Ist der Ausgangsdruck A zu hoch, so wird, der
obere Steuerkörper 5 nach oben gedrückt und vergrößert die Öffnung des AusIaßventiles
11,13 Der erfindungsgemäße pneumatische Verstärker zeichnet sich durch eine hohe
Luftleistung aufgrund von weit öffnenden Ein- und Auslaßventilen aus. Ein niedriger
ständiger Luftverbrauch sowie eine geringe Schmutzempfindlichkeit ist durch die
auf den Ventilsitzen aufsitzenden Steuerkörper garantiert. Durch einen Vergleich
des Eingangsdruckes mit dem Ausgangdruck und dem Zuluft druck erhält man einen störunanfälligen
und zu dem Eingangsdruck proportionalen Ausgangsdruck sowie eine relative Unabhängikeit
vom Vordruck. Weiterhin wird durch Kompensation der Wirkung des Zuluftdruckes auf
das Einlaßventil ein Umsteuerfehlervermieden.
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Die Vermeidung des Umsteuerfehlers durch Kompensation der Wirkung
des Zuluftdruckes auf das Einlaßventil machtes möglich, Ein-und Auslaßsitz im Durchmesser
relativ groß zu gestalten. Hierdurch
ergeben bereits relativ kleine
Aussteuerwege beachtliche Druck-und Du^rchflul3änderungen, was eine hohe statische
und dynamische Empfindlichkeit bedeutet. Durch die relativ großen Durchmesser von
Ein und Auslaßsitz wird jedoch der Verstärker nicht etwa aufwendig groß, sondern
er läßt sich relativ klein gestalten, da der Durchmesser d1 der großen Membran zweckmäßigerweise
etwa das 1,4-fache von Ein- und Auslaßsitz ist.
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Gemäß Figur 2; welche ein durenkonstruiertes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen pneumatischen Verstärkers darstellt, besteht das Gehäuse 4 aus
drei aufeinandergeschichteten Gehäuseteilen 4", 4'2 und 4"'. Die drei Gehäuseteile
48, 4'8 und 4"' sind ureter Zwischenfügung von O-Ringen 21 und 22 in Umfangsnuten
innerhalb der Planflächen der Gehäuseteile in üblicher Weise durch Schrauben luftdicht
zusammengehalten Über eine parallel zur Achse gerichtete, alle drei Gehäuseteile
durchsetzende Bohrung 2 wird die Zuluft Z zugeführt. Die Bohrung 24 ist nach oben
durch einen von oben in den oberen Gehäuseteil 4 tal eingeschraubten Gewindebolzen
25 abgedichtet. Der Gewindebolzen 25 weist an seinem unteren Ende eine Ausnehmung
26 auf, in welche ein Filtereinsatz 27 eingesetzt ist. Die Ausnehmung 26 steht über
eine die Vordrossel 1 representierende Drosselbohrung 28 mit dem Druckraum 9 im
oberen Gehäuseteile 4"' in Verbindung. Uber eine Tülle 29 ist der Druckraum 9 an
das nicht dargestellte Düse-Prallplatte-System anschließbar. Der obere Steuerkörper
5 besteht aus zwei T-förmigen Teilen 5' und 5", die übereinandergesteckt sind und
durch eine Schraube 30 miteinander verbunden sind. Der untere Steuerkörper 6 besteht
ebenfalls aus zwei Teilen 6' und 6", die miteinander verschraubt sind Die Ringmembranen
7, 8 und 14 sind jeweils auf sich in axialer Richtung erstreckende ringförmige Ansätze
an den beweglichen Steuerkörpern und dem ortsfesten Gehäuse aufgeknöpft, wobei die
mit den Membranen in Berührung kommenden Seiten der ringförmigen Ansätze hinterschnitten
sind und die jeweils freien Seiten der ringförmigen Ansätze eine Abrunding aufweisen.
Eine solche Membrananordnung ist in der älteren Anmeldung P 23 52 914 ro: Amelderin
beschrieben und führt
zu einem hysteresefreien Betrieb. Soweit weitere
Teile des hier dargestellten pneumatischen Verstärkers mit dem anhand von Figur
1 beschriebenen Verstärker übereinstimmen, sind sie mit gleichen Bezugsziffern versehen
und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.