DE2448251C3

DE2448251C3 - Pneumatischer Verstärker

Info

Publication number: DE2448251C3
Application number: DE19742448251
Authority: DE
Inventors: Guenther 6457 Maintal Roth
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Actemium Cegelec Services GmbH
Priority date: 1974-10-10
Filing date: 1974-10-10
Publication date: 1981-01-08
Also published as: DE2448251B2; DE2448251A1

Description

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Verstäf* ker gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs I.

Ein derartiger Verstärker geht aus der DE-OS 15 002 hervor.

Bekanntlich werden solche Verstärker hauptsächlich in Verbindung mit pneumatischen Reglern verwendet, in denen ein Vergleichssystem ein Düse-Prallplatte-System steuert, in welches wiederum den Eingangsdruck für den Verstärker liefert

Von der Arbeitsweise her unterscheidet man im wesentlichen Drosselverstärker und Alternatiwerstärker. Der erstere zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus; als nachteilig ist jedoch in erster Linie sein hoher Eigenluftverbrauch anzusehen. Beim fi Uernativverstärker tritt im Betrieb lediglich ein vernachlässigbarer Luftverbrauch auf. Bei konstantem Eingangsdruck ist der Eigenluftverbrauch sehr gering. Diesem Vorteil steht in erster Linie der Nachteil des Auftretens eines Umsteuerfehlers gegenüber. Der Umsteuerfehler entsteht bei Alternatiwerstärkern dadurch, daß beim

i> 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«.

Beiden Verstärkern gemeinsam ist ihre Abhängigkeit vom Druck der Zuluft. 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 all diesen Drücken soll ein im Regelsystem vorhandener pneumatischer Verstärker gleich gut arbeiten.
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.

Der pneumatische Verstärker aus der DE-OS 18 15 002 ist von dem veränderlichen Druck der Zuluft bereits unabhängig. Der dort dargestellte und beschriebene pneumatische Verstärker besitzt einen i.i einer Paßbohrung geführten hoheln Steuerkörper sowie einen an Ringmembranen aufgelegten kolbenförmigen Steuerkörper. Beide Steuerkörper sinti in dem Gehäuse relativ zueinander verschiebbar, und sie bilden miteinander ein den Luftauslaß in die Atmosphäre steuerndes Entlüftungsventil, wobei die Öffnung des Entlüftungsventils durch den relativen Abstand der beiden Steuerk per voneinander bestimmt wird. Der hohle Steuerkörper bildet zwischen sich und dem Gehäuse ein Zuluftsteuerventil, durch welches die Zuluff zum Verstärkerausgang hin gesteuert wird. Der kolbenförmige Steuerkörper ist an drei Membranen aufgehängt, wodurch zwei Kammern gebildet werden. Die eine Kammer ist an die Zuluft unmittelbar zwecks Kompensation bei einer Druckänderung der Zuluft angeschlossen. Die zweite Kammer wird über eine Drossel ebenfalls von der Zuluft gespeist und ist zur Erzeugung eines veränderlichen Eingangsdrucks an ein Düse-Prallplatte-System angeschlossen.

Bei diesem bekannten pneumatischen Verstarker wirkt die zugeführte Zuluft schließend auf das von dem hohlen .Steuerkörper und dem Gehäuse gebildete Zuluftsteuerventil ein. Der sich hierdurch ergebende Umsteuerfehler kann nur reduziert werden, indem der Durchmesser des Ventilsitzes relativ klein und der Durchmesser der Ringmembran, über die der Eingangsdruck entgegenwirkt, relativ groß ausgebildet wird.

Diese Maßnahmen führen einerseits zu einer relativ geringen Luffleistung und andererseits zu verhältnismäßig großen Abmessungen des Verstärkers. Die Anströmung des hohlen Steuerkörpers durch die Zuluft in

Schließrichtung kann zudem bei einer gewissen Purchflußmenge zu Schwingungen des Steuerkörpers führen. Schließlich wirken bei dem bekannten Verstärker der Ausgangsdruck und der Eingangsdruck in gleicher Richtung auf die Steuerkörper ein. Durch die auf diese Weise gegebene Mitkopplung ergibt sich die Gefahr der Instabilität.

Es liegt die Aufgabe vor. ausgehend von dem eingangs erwähnten Verstärker einen verbesserten pneumatischen Verstärker anzugeben, der keinen Umsteuerfehier, eine hohe Luftleistung, eine erhöhte Stabilität sowie geringe Abmessungen aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, wird im folgenden erläutert. Es zeigt

Fig. i ein Schniubiid des erfindungsgeinäßen pneumatischen Verstärkers in seinem schematischen Aufbau und seinem Zusammenwirken mit einem Düse-Prallplatte-System und

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen konstruktiv durchgebildeten pneumatischen Verstärker gemäß der Erfindung.

Gemäß F ■ g. 1 ist eine Leitung für die Zuluft Zuber eine Vordrossei 1 auf eine einer Prallplatte 3 gegenüberstehende Düse 2 geführt. Zwischen Düse 2 und Vordrossel 1 ist die den Verstärker steuernde Leitung mit dem Eingangsdruck E angeschlossen. Der Verstärker selbst besteht aus einem Gehäuse 4, in welchem ein erster kolbenförmiger Steuerkörper 5 sowie ein zweiter hohler Steuerkörper 6 axial beweglich angeordnet sind. Der kolbenförmige Steuerkörper 5 ist an zwei Ringmembranen 7 und 8 mit unterschiedlichen wirksamen Durchmessern d\ und dj aufgehängt. An einen durch den kolbenförmigen Steuerkörper 5, die Ringmemoran 7 und das Gehäuse 4 abgeschlossenen Druckraurn 9 ist die den Steuerdruck führende Leitung mit dem Eingangsdruck 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 Leitung mit der Zuluft Zangeschlossen. Der kolbenförmige Steuerkörper 5 wirkt mit einer Kegelfläche 11 mit einem rohrförmigen Ansatz 12 am hohlen Steuerkörper 6 zusammen, wobei der rohrförmige Ansatz 12 eine umlaufende Ringkante 13 mit dem Durchmesser dj bildet. Der hohle Steuerkörper 6 ist an einer Ringmernbran 14 mit dem wirksamen Durchmesser dj aufgehängt. Er weist an seinem unteren Ende eine sich kegelig erweiternde Mantelfläche 15 auf. welche mit einer kreisförmig umlaufenden Sitzkante 16 im Gehäuse 4 zusammenarbeitet. An einen durch die Ringmembran 14 und die als Ventilsitz a^rbeitende umlaufende Sit/kante 16 abgeschlossenen Druckraum 17 ist ebenfalls die Leitung der Zuluft Z angeschlossen. Die umlaufende Sitzkante 16 im Gehäuse 4 weist den eg Durchmesser £& auf- Eine den gesteuerten Ausgangsdruck A abführende Ausgangsleitung ist an einen Druckraum 18 angeschlossen, der durch den hohlen Steuerkörper 6 und eine benachbarte Ausnehmung im Gehäuse 4 gebildet wird. Das zwischen dem hohler, Steuerkörper 6 i-ind dem Gehäuse 4 gebildete Zuluftsteuerventil 15, lfi steuert die Zuluft zum Vefstärkei'ausgang. Andererseits wirkt das durch die beiden Steuerkörper 5 und 6 gebildete Entlüftungsventil 11, 13, indem es den auf dem Ausgangsdruck A befindlichen Druckraum 18 mit einer in die Atmosphäre führenden Abblasöffnung 19 verbindet.

Der hohle Steuerkörper 6 ist zwar dem Druck der Zuluft Z und dem Ausgangsdruck A ausgesetzt, jedoch so, daß beide Drücke keine resultierende Wirkung ausüben. Der Druck der Zuluft Z wirkt zwischen der als Einlaßsitz wirkenden umlaufenden Citzkante 16 und der Ringmembran 14 gleich stark nach beiden Richtungen und der Ausgangsdruck A wirkt ebenfalls gleich stark sowohl nach der einen, als auch an der als Auslaßsitz wirkenden umlaufenden Ringkante 13 in der anderen Richtung.

Der kolbenförmige Steuerteil 5 wird vom Druck der Zuluft Z, vom Eingangsdruck Fund vom Ausgangsdruck A beaufschlagt Der Druck der ZuMt Z wirkt zwischen den beiden Ringmembranen 7 und 8 nach der einen Richtung der Eingangsdruck E auf der anderen Seite der Ringmembran 7 nach der ander. - Richtung und der Ausgangsdruck A innerhalb des f uMaßsitzes der umlaufenden Ringkante 13 wieder nach der einen Richtung.

Die Ventilsitze gebildet durch die umlaufende Ringbzw. Sitzkante 13 und 16 sind so ausgebildet, daß der Auslaßsitz bei der Ringkante 13 im geschlossenen Zustand so wenig wie möglich Luft hindurchläßt, wohingegen der Einlaßsitz gebildet durch Sitzkante 16 absichtlich eine kleine Undichtheit ..jfweist, z. B. eine nicht dargestellte kleine Kerbe in der Dichtkante.

Wird der Druck der Zuluft Zbei offenem Düse-Prallplatte-System 2, 3 eingeschaltet, so bleibt das Zuluftsteuerventil 15, 16 geschlossen und das Entlüftungsventil 11, 13 wird aufgrund des zwischen den beiden Ringmembranen 7 und 8 wirkenden Druckes der Zuluft geöffnet.

Nähert man nun die Prallplatte 3 der Düse 2. so steigt der Eingangsdruck E und führt den kolbenförmigen Steuerkörper 5 nach Überwindung des zwischen den beiden Ringmembranen 7 und 8 wirkenden Druckes der I-.üluft entgegen dessen Wirkrichtung. Kurz bevor der kolbenförmige Steuerkörper 5 den hohlen Steuerkörper 6 berührt, beginnt sich der Ausgangsdruck A aufzubauen und wirkt dem Eingangsdruck F entgegen. Wegen der erwähnten Undichtheit im Zuluftsteuerventi! 15, 16. die wie die Vordrossel eines Düse-Prallplatte-Systems wirkt, steuert der Eingangsdruck Eden Ausgangsdruck A. ohne daß der kolbenförmige Steuerkörper 5 den hohle Steuerkörper 6 berührt. Zu erwähnen ist hier, daß der Eingangsdruck E stets ein höneres Niveau als der Ausgangsdruck A aufgrund der zusätzlich zu überwindenden Zuluftdruckwirkung zwischen den beiden Ringmembranen 7 unc! 8 aufweist. Änderungen des Eingangsdruckes E werden jedoch gut proportional entsprechend de- wirksamen Durchmesser s/. und </? im Ausgangsdruck A abgebildet. Ist der Ausgangsdruck Λ zu niedrig, se νhließt der kolbenförmige Steuerkörper 5 das Entlüftungsventil 11, 13 und drückt so auf de;i hohlen Steuerkorper 6 ohne zusätzliche Kraftüberwindung, daß sich das Zuluftsteuerventil 15, 16 öffnet. Ist der Ausgangsdruck A zu hoch, so wird der kolbenförmige Steuerkorper 5 so bewegt, daß sich Uie Öffnung des Entiüftungsventils 11,13 vergrößert.

Der erfindungsgemäße pneumatische Verstärker zeichnet sich durcn Ane hohe Luftleistung aufgrund des weit öffnenden Zuluftsteuerventils und des weit öffnenden Entiüftungsventils aus. Ein niedriger ständiger Luftverbrauch sowie eine geringe Schmutzempfind-

lichkeit ist durch die auf den Ventilsitzen aufsitzenden Steuerkörper garantiert. Durch einen Vergleich des Eingangsdruckes £mit dem Ausgangsdruck A und dem Druck der Zuluft erhält man einen störunanfälligen und zu dem Eingangs<J>uck E p/oportionalen Ausgangsdruck A sowie eine relative Unabhängigkeit vom Druck der Zuluft. Weiterhin wird durch Kompensation der Wirkung der Zuluft auf das Zulüftsleuerventil 15,16 ein Umsteuerfehler vermieden. Die Vermeidung des Umsteuerfehlers durch Kompensation der Wirkung des Druckes der Zuluft auf das Zuluftsteuerventil 15j 16 macht es möglich, den Ein- und Auslaßsitz im Durchmesser relativ groß zu gestalten. Hierdurch ergeben bereits relativ kleine Aussteuerwege beachtliche Druck- und Durchflußänderungen, was eine statische und dynamische Empfindlichkeit bedeutet. Durch die relativ größen Durchmesser von Ein- und Auslaßsitz wird jedoch der Verstärker nicht etwa aufwendig groß, sondern er läßt sich relativ klein gestalten, da der Durchmesser H₁ der großen Memhran zweckmäßigerweise etwa das l,4fache von Ein- und Auslaßs'tz ist.

Gemäß Fig.2, welche ein durchkonstruiertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen pneumatischen Verstärkers darstellt, besteht das Gehäuse 4 aus drei aufeinandergeschichteten Gehäuseteilen 4', 4" und 4'". Die drei Gehäuseteile 4', 4" und 4'" sind unter 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 24 wird die Zuluft Z zugeführt. Die Bohrung 24 ist nach einer Seite durch einen von außen in den Gehäuseteil 4'" dieser Seite eingeschraubten Gewindebolzen 25 abgedichtet. Der Gewindebolzen 25 weist an seinem in der Bohrung C liegenden Ende eine Ausnehmung 26 auf, in weiche ein Filtereinsatz 27 eingesetzt ist. Die Ausnehmung 26 steht über eine die Vordrossel 1 repräsentierende Drosselbohrung 28 mit dem DruckräUiti 9 im oberen Gehäuseteil 4'" in Verbindung. Über eine Tülle 29 ist der Druckraum 9 an das nicht dargestellte Düse-Prallplatte-System anschließbar. Der kolbenförmige Steuerkörpel' 5 besteht aus zwei T-förmigert Teilen 5' und 5", die übereinandergesteckt sind und durch eine Schraube 30 miteinander verbunden sind. Der hohle 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 orstfesten Gehäuse aufgeknöⁿft, ^wob^pi di? rnk d?n Membranen in Berührung kommenden Seiten der ringförmigen Ansätze hinterschnitten sind und die jeweils freien Seiten der ringförmigen Ansätze eine Abrundung aufweisen. Eine solche Membrananordnung ist in der älteren Anmeldung P 23 52 914 der Anmelderin beschrieben und führt zu einem hysteresefreien Betrieb. Soweit weitere Teile des hier dargestellten pneumalischen Verstärkers mit dem anhand von Fig. I beschriebenen Verstärker übereinstimmen, sind sie mit gleichen Bezugsziffern

versehen und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pneumatischer Verstärker mit einem Gehäuse sowie einem kolbenförmigen und einem durch eine Bohrung in Längsachse hohlen Steuerkörper, welche in dem Gehäuse relativ zueinander verschiebbar sind und zusammen ein den Luftauslaß in die Atmosphäre steuerndes Entlüftungsventil bilden, mit einem zwischen Gehäuse und dem hohlen Steuerkörper gebildeten Zuluftsteuerventil zum Steuern der Zuluft zum Verstärkerausgang hin und mit einem auf den kolbenförmigen Steuerkörper in Schließrichtung des Entlüftungsventils einwirkenden variablen Eingangsdruck, wobei der kolbenförmige Steuerkörper an zwei Ringmembranen unterschiedlichen Durchmessers aufgehängt ist, die Zuluft in eine durch die beiden Ringmembranen abgeschlossene Kammer zusätzlich zugeführt ist, und alle Ventile au Sitzventile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuluft (Z) zwischen dem Zuluftsteuerventil (15,16) und einer den hohlen Steuerkörper (6) fesselnden Ringmembran (14) zugeführt ist, daß die Durchmesser (di) der beiden Ventilsitze (13, 16) und der wirksamen Fläche der letztgenannten Ringmembrün (14) gleich groß sind und daß die Bohrung in Längsachse des hohlen Steuerkörpers (6) eine Durchgangsbohrung ist und daß der Ausgangsdruck (A) in den beiden entgegengesetzten Richtungen über gleich große Stirnflächen an dem ho'- 'en Steuerkörper (6) angreift.

2. Pneumatischer Verstärker nach Anspruch 1, dessen Eingangsdruck einem Düse-Prallplatte-System zwischen der Düse und einer vom Druck der Zuluft gespeisten Vordrosscl entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das eine umlaufende Ringkante (13) aufweisende Ende des hohlen Steuerkörpers (6) zur Bildung des Entlüftungsventils (11, 13) mit einer Kegelfläche (11) am kolbenförmigen Steuerkörper (5) zusammenwirkt.

3. Pneumatischer Verstarker nach Anspruch 1, dessen hohler Steuerkörper am anderen Ende e>ne sich kegelig erweiternde Mantelfläche aufweist, welche mit einer umlaufenden Si'.zkante im Gehäuse als Zuluftsteuerventil zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Durchmesser (d\) der größeren Ringmembran (7) des kolbenförmigen Steuerkörpers (5) um etwa den Faktor 1.4 größer als der Durchmesser (di) der beiden Ventilsitze (13, Ib) bzw. der wirksame Durchmesser (di) der beiden kleineren Ringmembranen (8,14) ist.

4. Pneumatischer Verstärker nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkörper (5, 6) und das Gehäuse (4) jeweils axial gerichtete ringförmige Ansätze mit hinterschnittenen Flächen aufweisen, daß die Ringmembran (7, 8, 14) auf diese Ansätze aufgeknöpft sind, und daß die freien Seiten der ringförmigen Ansätze abgerundet sind.