DE2529457B2

DE2529457B2 - Membranmodul fuer pneumatische regelungssysteme

Info

Publication number: DE2529457B2
Application number: DE19752529457
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr.-Ing 6451 Bruchköbel Multrus
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1975-07-02
Filing date: 1975-07-02
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DE2529457C3; SE420006B; SE7607420L; DE2529457A1; CH613289A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Membranmodul für pneumatische Regelungssysteme, mit mindestens einer Druckvergleichsstufe, die eine anstehende Druckdifferenz in eine Kraft umformt, und mit einem Kraft-Druck-Umformer, der von der Druckvergleichsstufe gesteuert wird, wobei in einem mehrteiligen Gehäuse durch Membranen unterteilte Kammern gebildet sind, in die die miteinander zu vergleichenden Drücke eingeleitet werden, und wobei über zusammenwirkende Membrantelier und Tellerstifte die resultierende Kraft in eine entsprechende Bewegung umgesetzt

Derartige Me.nbranmodule können in Einrichtungen zum Regeln oder Steuern von Regelgrößen, insbesondere bei druckmittelbetriebenen Reglern, Verhähnisrelais. Additionsrelais od. dgl. Verwendung finden. Bei bekannten Einrichtungen dieser Art, wie sie beispielsweise in dem Buch von Hengstenberg »Messen und Regeln in der chemischen Technik«, Springer-Verlag 1964, Seiten 1159 und 1170. insbesondere anhand der Abbildungen !27 und !36, beschrieben sind, ist das gesamte Membranpaket mittels eines Steges fest verbunden. Die feste Einspannung der Membranteller in die Membranen sowie die Durchführung und Fixierung des Steges erschwert bei diesen bekannten sogenannten Büchsenreglern die Zentrierung des gesamten Membranpaketes und seine parallele Ausrichtung in bezug auf die Düse des Kraft/Druck-Umformers. Um eine unerwünschte Hysterese, Knicke in der Kennlinie bzw. Änderungen der wirksamen Membranflächen zu vermeiden, werden bei den bekannten Büchsenreglern DoppelmeiVibranen mit Wulst und mit entlüftetem Zwischenraum benutzt. Dadurch verdoppelt sich nicht nur die Anzahl der erforderlichen Membranen, sondern es wird der gesamte Aufbau aufwendiger, was einer Miniaturisierung der Einrichtung hinderlich im Wege steht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Membranmodul anzugeben, der sich durch einen kompakten miniaturisierten Aufbau bei einfacher Montage und billiger Herstellung kennzeichnet. Die Losung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Gründung im folgenden naher erläutert werden. Es zeigt

Fig. la einen Membranmodul gemäß der Erfindung in einem Axialschnitt,

Fig. Ib ein vereinfachtes Funktionsschema des Moduls gemäß Fig. la,

F i g. 2a einen Verhältnismodul in einem Axialschnitt.

Fig. 2b ein vereinfachtes Funktionsschema des Verhältnismoduls gemäß F i g. 2a,

F i g. 2c ein statisches Kennlinienfeld des Verhältnismoduls gemäß den F i g. 2a, 2b bei Direktfunktion und

Fig. 3 einen P-Regler mit mechanisch einstellbarem Sollwert für Direkt-Funktion.

Gemäß den Fig. la und Ib besteht der dargestellte Membranmodul aus drei aufeinandergestapelten Druckvergleiehsstufen A, B und C und einer an diese angeschlossenen Kraft-Druck-Umformerstufe D. Die unterste Druckvergleichsstufe C besteht aus einem Gehäuseoberteil 3Co und einem Gehäuseunterteil 3Cu zwischen denen eine aktive flache Membran IC eiiigclegi ist. Spiegelbildlich zu der Yergleichsmembrar 1 Cstützen sich auf dieser zwei Membranteller 2Co tine 2CiJ ab. Die Membranteller 2Co und 2Ci/ sind ir entsprechenden zylindrischen einander zugekehrter Ausnehmungen in den Gehäuseteilen 3Co und 3d

reführt. Zur Führung in den zylindrischen Gchäuseausiehmungen weisen die Mcmbranteller 2Co und 2Cu auf ler der Membran J C abgewandten Seite einen auf den durchmesser der zylindrischen Gehäuseausnehmung ibgestimmten Durchmesser Di auf. Gegenüber diesem durchmesser Di ist der an der Membran IC anliegende Vlembranteller-Durchmesser d\ reduziert, wodurch eine ^:ür den Druckvergleich wirksame MembranHäche F, jebildet wird. Die Toleranzen zwischen dem äußerer, Durchmesser Di des Membrantellers und der zugeordneten zylindrischen Ausnehmung in den Gehäuseteilen ist so bemessen, daß eine eindeutige konzentrische Läse der Membranteller einerseits und eine nahezu reibungslose axiale Gleitbewegung andererseits möglich ist.

Um die Beaufschlagung der Vergleichsmembran IC auf ihrer wirksamen Membranfläche F₍ mit Druckluft zu erleichtern, können die Membranteller 2Co und 2Cu entlang dem Außenumfang mit dem größeren Durchmesser Di mit axial gerichteten Einschnitten versehen werden.

Die Vergleichsstufe C ist nach oben und unten durch Dichtmembranen 5BC und 5CD abgeschlossen. Die Membranteller 2Co und 2Cu stützen sich hierbei über Tellerstifte 6Co und 6Cu an den Dichtmembranen 5BC und 5CD ab. Die wirksamen Flächen der Dichimembranen 5ßCund 5CDsind so klein gehalten, daß die über sie ausgeübten Drücke vernachlässigt werden können. Die Ausnehmungen im Gehäuseoberteil 3Co und im Gehäuseunterteil 3Cu sind über Druckmittelanschlüsse 11 Co und WCu an entsprechende Druckmittelquellen anschließbar.

In gleicher Weise wie die zuvor beschriebene Druckvergleichsstufe Cist auch die Druckvergleichsstufe B aufgebaut, wobei jedoch zur Vorgabe eines anderen Bewertungsfaktors für die Druckdifferenz die Durchmesser d:, D>, der Membranteller 2ßo und 2ßu und demgemäß auch der auf den Durchmesser D₂ abgestimmte Durchmesser der zylindrischen Ausnehmung im Gehäuse eine andere Dimensionierung aufweisen.

Die oberste Druckvergleichsstufe A weist wiederum ein Gehäuseunterteil 3Au auf, wobei in dessen zylindrischer Ausnehmung ein unterer Membranteller 2Au gleitet. Der Membranteller 2Au stützt sich nach unten über den Tellerstift 6Au an d;r Dichtmembran 5AS und nach oben an der Vergleichsmembran IA ab. Das Gehäuseoberteil der Stufe A ist als geschlossenes Deckelteil 4 ausgebildet, welches eine mit der zylindrischen Ausnehmung im Unterteil 3Au fluchtenden Ausnehmung aufweist, in die ein Druckmittelanschluß UAoführt.

Die unterste Stufe D stellt funktionsmäßig einen Kraft/Druck-Umformer dar, der die aus den vorgeschalteten Vergleichsstufcn ermittelte resultierende Gesamtkraft in einen entsprechenden Druck umwandelt. Die Umformerstufe D weist ein Gehäuseoberteil 3Do mit eingelagertem Membranteller 2Do auf. Das Unterteil der Stufe D wird durch eine Bodenplatte 7 gebildet, die zwischen sich und dem Oberteil 3Do die Vergleichsmembran ID mit der wirksamen Fläche F/> einklemmt. Die Bodenplatte 7 enthält eine zentrale Düse 8 mit konzentrisch zu dieser angeordnetem Slützring 9. Die Düse 8 entlüftet bei abgehobenem Membranteller 2Do in die Atmosphäre. An den unter der Vergleichsmembran ! Dliegenden Raum ist weiterhin eine Zuluftleitung 10 und eine Ausgangsleitung 12 angeschlossen. Der Membranteller 2Do steuert den Luftdurchfluß der Düse 8 und wirkt somit als Prallplatte, wobei sich zwischen

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dem Membranteller 2Do und der Stirn der Düse die dünne Schicht der Yergieichsmembran ID befinde ι. Durch diese Membranschicht werden kleine Uneben heilen bzw . eine gew isse Rauheit der Auflagesiellen. w ic mc bei herkömmlichen Spntzgußteilen bzw. bei maschineller Bearbeitung vorkommen können, ausgeglichen, so daß auf eine aufwendige Bearbeitung der Auflagesiellen und dichtenden Oberflächen verzichtet werden kann. Die dünne Membranschicht gleicht außerdem kleine Abweichungen von der parallelen Lage der Membranplatte 2Do gegenüber der Stirnfläche der Düse 8 aus. so daß diesbezüglich keine speziellen Maßnahmen erforderlich sind. Gleichzeitig gewährleistet die dünne Membranfläche einen vollkommenen Verschluß der Düse und somit einen hohen Druckrückgc'ivinn. wenn entsprechend der Funktion ein Druck geringfügig unter dem Zuluftdruck .in der Vordrossel erreicht werden soll.

Die Funktion des vorstehend beschriebenen Membranmoduls wird anhand des Funktionsschemas gemäß Fig. Ib deutlich. Der Modul arbeitet nach dem an sich bekannten Prinzip des Kraftvergleichs. Die aus dem Kraft vergleich in den Vergleichsstufen A. B und C resultierende Kraft wird durch den in der unteren Düsenkammer gebildeten Ausgangsdruck p;> ausgeglichen. Durch Variation der Anzahl der Stufen, der wirksamen Membranflächen sowie der Anordnung der einzelnen Stufen können Module verschiedener Funk tion realisiert werden, die für den Aufbau sowohl von einfachen a's auch von komplexen Regelungssystemen geeignet sind.

Gemäß Fig. 2a weist ein Verhäl'.nisniodul einen Aufbau auf. der im wesentlichen einer Kombination aus den Stufen A und D des zuvor beschriebenen Membranmoduls entspricht, wobei jedoch gegenüber Fig. la die Stufe A in bezug auf die Stufe D einen Membranteller mit größerem Durchmesser aufweist. Einer Kammer 20 zwischen dem Deckelteil 4 und der Vergleichsmembran IA der Stufe .-A wird ein Eingangsdruck p\ zugeführt. Dieser Druck p\ wird an der Membran IA mit einem Start- bzw. Sollweridruck pu verglichen, der einer Kammer 21 zugeführt wird, die ihrerseits durch die Vergleichsmembran IA. den Gehäuseunterteil 3Au der Stufe A und die Dichtmembran 5AD begrenzt ist. Es sei angenommen, daß p\ größer als />» ist. In diesem Fall resultiert eine Kraft nach unten, die über den Tellerstifl 6Au auf die Umformerstufe übertragen wird. In eine über der unteren Vergleichsmembran 1 D liegende Kammer 1J kann nun ein weiterer Druck ρ _? zugeführt werden, detain Ausgang im Verhältnis 1 ·. 1 abgebildet wird, da er auf die gleiche wirksame Membranfläche F_n wie der Ausgangsdruck p/> in der unter der Membran 1/) liegenden Kammer 14 wirkt. Die Kammer 14 weist wieder zwei Anschlüsse 10 und 12 auf. wobei dem Anschluß 10 eine für -jie Funktion erforderliche Vordrossel 17 (Fig. 2b) vorgeschaltet werden kann, während der Anschluß 12 als Ausgang dient. Anhand von Fig. 2 läßt sich für den Beharrungszustand beiir Kraftveigleich folgende Beziehung aufstellen:

Pd ' f"i) = Pm ■ F» ^ IP.v - /¹H-) F.4 ■ Daraus ergibt sich der Ausgangstiruck /i/

Po

+ (P.v - Ph) ■

Der Verhält nisfaktor

Ky = '

' I)

ist durch tins Verhältnis der wirksamen Membranfläehen gegeben und daher nicht einstellbar.

Gegenüber einem Verhältnismodul in der bekannten Bauweise hat die in den 1 i g. 2a und 2b gezeigte lose Stapelung der Membranteller den Vorteil, daß diese 'i' voneinander abheben können und dadurch eine vom \ erhältnis K: unabhängige Einstellung eines minimalen \usgangsdru..kcs. d. h. eine sogenannte Minimalbegren /ung ermöglichen.

Cjemali Γ i g. 2c wird, solange der Eingangsdruck /)\ : ■, kleiner als der vorgegebene Sartweri /)» ist. die Membrane 1,4 in der Stufe Λ nach oben abgehoben, so (.lull der Membranteller 2.-Ai/ keine Kraft nach unten ausübt. Für /λ </'» ^ird somit am Ausgang />/> nur der Druck ;?,., abgebildet und als Mimmaldruck gehalten :u (p,, = p,_r). Erst wenn der F.ingaiigsdruck p\ größer als der vorgegebene /.. B. mit einem Druckgeber eingestellte Druck ρ» wird, fängt auch dei Ausgangsdruck ppan /u steigen, wobei die Steigung durch das Verhältnis K, gegeben ist. ->

Wird eine Minimalbegren/.img nicht gewünsi.^ln. so wird die Kammer 13 an die Atmosphäre an angeschlossen (p =0). Der Ausgangsdruck p.--- ergibt sich dann zu.

p„ = 0 für i\ < /I₁₁ . :·

Pd = K_h--(p_x -/vl für p_v > p„ .

Der Vcrhähnismodui gemäß den F i l\ 2a. 2Ό katv auch in Reversfunktion betrieben werden, indem dtiixn r einen l.^!msch;ilter 18 (Fig. 2b) die Zuleitungen zu den Kammern 20 und 21 \cr;a;isch.! werden. Durch diese Maßnahme steig; der -V.isgangsdruck /robe; sinkendem F.msianüsdriick n·..

Über den bereits erwähnten Druckgeber kann der Startdruck pw und damit auch der Startpunkt .V gemäß I ι g. 2c verändert werden, was zu einer Parallelvei Schiebung der Kennlinien führt.

Gemäß Fig. 3 ist ein P-Regler dargestellt, der von einem Membranmodul, bestehend aus einer Dmckver gleichsstufe 38 und einem Kralt/Druck-I imlormer 39. Gebrauch macht. Soweit die einzelnen Bauteile der Stufen 38 und 39 denjenigen der Stufen A und D gemäß den !"ig. la und 2a entsprechen, sind sie mit gleichen Bezugsziffern verschen worden und bedürfen hier keiner näheren Erläuterung. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Membranmodulen erfolgt bei diesem bekannten Ausführungsbeispiel die Einstellung des Sollwertes bzw. Startpunktes auf mechanische Weise, indem eine sich an einem py.iai einstellbaren Gegcnlager 35 abstützende Feder 31 von unten gegen den Membranteller 2Au der Vergleichsstufe drückt. Der Eingangsdruck p\ wird als Istwert der Kammer 20 über der Vergleichsmembran 1.4 zugeführt. Der Kraft/ Druck-Umformer 39 macht anstelle eines einfachen Düse-Prallplatte-Systems von einem einstufigen Alternativverslärker Gebrauch, wie er in der älteren Anmeldung P 24 13 843.0 der Anmelderin näher beschrieben ist. Schließlich ist noch ein linearer einseitii: entlüfteter Druckteiler 36 für die Realisierung des P-Reglers vorgesehen.

Die obere Kammer 13 des Kraft/Druek-Umformers wird für die einstellbare positive Rückführung des Ausgangsdruckes verwendet, indem die feste negative Rückführung der unteren Kammer 14 je nach Einstellung des Druckteiiers 36 teilweise kompensiert und dadurch die Verstärkung bzw. der P-Bereich de*· Reglers variiert wird.

Um einen Reversbetrieb des P-Reglers gemäß F i g. : /u ermöglichen, muß die Feder 31 über der Vergleichs ■r.uir.brar, IΛ angeordnet werden, und es muß dei isiViCrtdruck p\ von unten gegen die Vergleichsmem bran 1.4 w irken.

iiier/

Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

!- Membranmodul für pneumatische dungssysteme, mit mindestens einer Druck\ _rieichss;ufe, die eine anstehende Druckdifferenz in eine Kraft umformt, und mit einem Kraft/Druck-Umformer. der von der Druckvergleichsstufe gesteuert wird, wobei in einem mehrteiligen Gehäuse durch Membranen unterteilte Kammern gebildet sind, in die die miteinander zu vergleichenden Drücke eingeleitet werden und wobei über zusammenwirkende Membranteller und Tellerstifie die resultierende Kraft in eine entsprechende Bewegung umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranteller (2) lose in dem Gehäuse (3,4. 7) gestapelt sind, indem sie sich mit ihren Tellerflächen an zugeordneten flachen, dünnen Vergleichsmeinbranen (1) und mit ihren Tellerstiften gegenseitig unter Zwischenfügung von Dichtmembranen (5) abstützen und daß die Membranteller (2) im Durchmesser abgesetzt sind, um einen ersten, die Führung des Membraiitellers im Gehäuse bewirkenden Durchmesser (D<, D:) und einen zweiten, die wirksame Membranfläche (FJbestimmenden Durchmesser (du dj) zu bilden.
2. Membrananordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranteller (2) in zylindrischen Ausnehmungen im Gehäuse (3, 4, 7) geführt sind.
3. Membranmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den größeren Durchmesser (D) aufweisende Teil des Membra !tellers (2) an der mit der zylindrischen Ausnehmung in Berührung gelangenden Fläche gerundet ist.
4. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranteller (2) in den verschiedenen Stufen (A. B, C) unterschiedliche Durchmesser (Du d\; D₂, <:/>) aufweisen.
5. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Membranfläche der Dichtmembranen (5) gegenüber den wirksamen Membranflächen (F) der Vergleichsmembranen (1) vernachlässigbar klein ist.
fc>. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraft/Druck-Umformer (D) als Düse-Prallplatte-System ausgebildet ist. wobei sich der Membranteller (2Do) unter Zwischenlage eine Membran (ID/ auf der Düse (8) abstützt.
7. Membranmodul nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorgabe einer Miinimalbegrenzung eine Kammer (13) über der Membran (\D) des Kraft/Druck-Umformers an einen Druck (p,„) anschließbar ist.
8. Membranmodul nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß eine Kammer (13) über der Membran (\D) des Kraft/Druck-Umformers an einen Rückführungsdruck fpr^anschließbar ist.