DE2529457C3 - Membranmodul für pneumatische Regelungssysteme - Google Patents

Description

2. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den größeren Durchmesser (D) aufweisende Teil des Membrantellers (2) an der mit der zylindrischen Ausnehmung in Berührung gelangenden Fläche gerundet ist.

3. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranteller (2) in den verschiedenen Stufen (A, B, C) unterschiedliche Durchmesser (D], d]·, Di, di) aufweisen.

4. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Membranteller (2Do) des Kraft/Druck-Umformers (D) unter Zwischenlage einer Membran (\D) auf der Düse (8) abstützt.

5. Membranmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorgabe einer Minimalbegrenzung eine Kammer (13) über der Membran (XD) des Kraft/Druck-Umformers an einen Druck (p_m) anschließbar ist.

6. Membranmodul mch Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kammer (13) über der Membran (XD) des Kraft/Druck-Umformers an einen Rückführungsdruck (p_r) anschließbar ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mcnibranmodul für pneumatische Regelungssysteme, mit mindestens einer Druckvergleichsstufe, die eine anstehende Druckdifferenz in eine Kraft umformt, und iiiit einem ". Kraft-Druck-Umformer, der von der Druckvergleiehsslul'e gesteuert wird, wobei in einem mehrteiligen Gehäuse durch Membranen unterteilte Kümmern gebildet sind, in die die miteinander zu vergleichenden Drücke eingeleitet werden, und wobei über /iisammen-

U) wirkende Mentbranteller und Tellerstifte die resultierende Kraft in eine entsprechende Bewegung umgesetzt wird.

Derartige Membranmodde können in Einrichtungen zum Regeln oder Steuern von Regelgrößen, insbesonde-

I) re bei druckmittelbetriebenen Reglern, Verhältnisrelais, 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

2» 1964. Seiten 1159 und 1170, insbesondere anhand der Abbildungen 127 und 136, beschrieben sind, ist das gesamte Membranpaket mittels eines Steges fest verbunden. Die feste Einspannung der Membrantellcr in die Membranen sowie die Durchführung und Fixierung

Jj 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.

ii) Änderungen der wirksamen Membranflächen zu vermeiden, werden bei den bekannten Büchscnreglern Doppelmembranen mit Wulst und mit entlüftetem Zwischenraum benutzt. Dadurch verdoppelt sich nicht nur die Anzahl der erforderlichen Membranen, sondern

r> es wird der gesamte Aufbau aufwendiger, was einer Miniaturisierung der Einrichtung hinderlich im Wege steht.

Ferner ist aus der DE-AS 11 38 263 ein pneumatischer Alternativverstärker bekanntgeworden, bei dem

■in unter einer Membran ein Steuerkolben und ein Ventilkörper lose übereinandergestapelt in dem Verstärkergehäuse angeordnet sind. Der Steuerkolben ist an seiner mit der Membran in Berührung gelangenden Fläche abgerundet, so daß durch die Berührung die

4Ί wirksame Membranfläche praktisch nicht beeinflußt wird. Dieser Steuerkolben hat somit nicht die Funktion eines Membrantellers, da er nur als Kraftübertragungsglied wirkt und keinen Einfluß auf die wirksame Membranfläche besitzt. Eine Zentrierung des Steuerkolbens

>» findet auf dein Kegel des Ventilkörpers statt; diese Zentrierung ist jedoch im Hinblick auf den durch die Membran ausgeführten Druckvergleich von Eingangsdruck und Ausgangsdruck ohne Bedeutung.
Schließlich ist aus der DE-OS 16 73 609 ebenfalls ein Verstärker bekanntgeworden, wobei ein Membrankörper einer in die Atmosphäre entlüftenden Düse gegenüber angeordnet ist. Der Membrankörper wird von der anderen Seite von einem Steuerluftdruck beaufschlagt, so daß er mit seinem Rand immer an einem

w) ringförmigen Absatz im Gehäuse anliegend gehalten wird. Der Membrankörper ist weder geeignet noch vorgesehen, eine Bewegung auf ein nachgeschaltetes Glied zu übertragen. Er wirkt lediglich mit der Düse zusammen und bedarf zu diesem Zweck keiner Zentrie-

bi rung. Eine Zentrierung des Membrankörpers im Gehäuse ist auch nicht erforderlich, da die wirksame Membranfläche für die Funktion des Verstärkers nicht wesentlich ist. Um den Membrankörper jedoch einerseits

durch den Steuerluftdruck auslenlcbar zu machen und andererseits im Bereich der Düsenöffnung steif zu gestalten, ist dieser im Durchmesser abgesetzt

Letztlich ist aus der DE-OS 15 23 584 ein Membran-Logikelement mit mehreren Eingängen bekannt, das der Realisierung verschiedener logischer Boolescher Funktionen dient. Bei diesem Logik element wirken Steuergrößen über dünne Membranen auf lose in das Gehäuse eingelegte Membranteller ein. Die Steuergrößen bewirken beispielsweise die Verschiebung eines Doppelsitz /cntils, wodurch im Wege eines Schaltvorganges ein Ausgang beispielsweise wahlweise an den Atmosphärendruck oder an einen Eingangsdruck angeschlossen werden kann. Das bekannte Element ist nicht in der Lage, einen oder mehrere Differenzdrücke streng analog in ein entsprechendes pneumatisches Ausgangssignal umzuwandeln.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von der eingangs erwähnten Regeleinrichtung einen Membranmodul anzugeben, der sich durch einen kompakten miniaturisierten Aufbau bei einfacher Montage und billiger Herstellung kennzeichnet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

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

Fig. la einen Menibrs imodul gemäß der Erfindung in einem Axialschnitt,

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

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

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

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

F i g. 3 einen P-Regler mit mechanisch einstellbarem Sollwert für Direkt-Funktion.

Gemäß den Fig. la und Ib besteht der dargestellte Membranmodul aus drei aufeinandergestapelten Druckvergleichsstufen 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 eingelegt ist. Spiegelbildlich zu der Vergleichsmembran lCstützen sich auf dieser zwei Membranteller 2Co und 2Cu ab. Die Membranteller 2Co und 2Cu sind in entsprechenden zylindrischen einander zugekehrten Ausnehmungen in den Gehäuseteilen 3Co und 3Cw geführt. Zur Führung in den zylindrischen Gehäuseausnehmungen weisen die Membranteller 2Co und 2Cu auf der der Membran IC abgewandten Seite einen auf den Durchmesser der zylindrischen Gehäuseausnehmung abgestimmten Durchmesser D\ auf. Gegenüber diesem Durchmesser D\ ist der an der Membran ICanliegende Membranteller-Durchmesser c/i reduziert, vodurch eine für den Druckvergleich wirksame Membranfläche F_c gebildet wird. Die Toleranzen zwischen dem äußeren Durchmesser D\ des Membrantellers und der zugeordneten zylindrischen Ausnehmung in den Gehäuseteilen ist so bemessen, daß eine eindeutige konzentrische Lage der Membranteller einerseits und eine nahezu reibungslose axiale Gleitbewegung andererseits möglich ist.

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

Die Vergleichsstufe C ist nach oben und unten durch Dichtmembranen SBC und 5CD abgeschlossen. Die Mcmbranteller 2Co und 2Cu stützen sich hierbei über Tellerstifte 6Co und 6Cu an den Dichtmembranen 56C und 5CD ab. Die wirksamen Flächen der Dichtmembra-

Ki nen 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 11 Cu an entsprechende Druckmittelquellen

t> anschließbar.

in gleicher Weise wie die zuvor beschriebene Druckvergleichsstufc Cist auch die Druckvergleichsstufe S aufgebaut, wobei jedoch zur Vorgabe eines anderen Bewertungsfaktors für die Druckdifferenz die Durchmesser Λ. Dj, der Membranteller 2ßo und 2Bu und demgemäß auch der auf den Durchmesser D, abgestimmte Durchmesser der zylindrischen Ausnehmung im Gehäuse eine andere Dimensionierung aufweisen.

2) 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 Telle.-stift 6Au an der Dichtmembran

j(i 5AB und nach oben an der Vergleichsmembran \A 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 Druckmittelan-

j-, Schluß 11 Ao führt.

Die unterste Stufe D stellt funktionsmäßig einen Kraft/Druck-Umformer dar, der die aus den vorgeschalteten Vergleichsstufen ermittelte resultierende Gesaintkraft in einer, 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 Fp einklemmt.

Die Bodenplatte 7 enthält eine zentrale Düse 8 mit konzentrisch zu dieser angeordnetem Stützring 9. Die Düse 8 entlüftet bei abgehobenem Membranteller 2Do in die Atmosphäre. An den unter der Vergleichsmembran 1D liegenden 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 dem Membranteller 2Do und der Stirn der Düse die dünne Schicht der Vergleichsmembran ID befindet.

Durch diese Membranschicht werden kleine Unebenheiten bzw. eine gewisse Rauheit der Auflagestellen, wie sie bei herkömmlichen Spritzgußteilen bzw. bei maschineller Bearbeitung vorkommen können, ausgeglichen, so daß auf eine aufwendige Bearbeitung der Auflagestellen 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

b5 speziellen Maßnahmen erforderlich sind. Gleichzeitig gewährleistet die dünne Membranfläche einen vollkommenen Verschluß der Düse und somit einen hohen Druckrückgewinn, wenn entsprechend der Funktion ein

Druck geringfügig unler dem Zuluftdruck an der Vordrossel erreicht werden soll.

Die Funktion des vorstehend beschriebenen Mcmbranmoduls wird anhand des Funktionsschemas genial! I" ig. Ib deutlich. Der Modul arbeitet nach dem an sich bekannten Prinzip des Kraftvergleichs. Die aus dem Kraftverglcich in den Verglcichsstufen A. B und C resultierende Kraft wird durch den in der unteren Düsenkammer gebildeten Ausgangsdruck pn ausgeglichen. Durch Variation der Anzahl der Stufen, der wirksamen Membranflächen sowie der Anordnung der einzelnen Stufen können Module verschiedener Funktion realisiert werden, die für den Aufbau sowohl von einfachen als auch von komplexen Regelungssystemen geeignet sind.

Gemäß Fig. 2a weist ein Verhäitnismodu! 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. F.iner Kammer 20 zwischen dem Deckelteil 4 und der Vergleichsmembran 14 der Stufe A wird ein Eingangs druck p\ zugeführt. Dieser Druck p\ wird an der Membran 1-4 mit einem Start- bzw. Sollwertdruck pw verglichen, der einer Kammer 21 zugeführt wird, die ihrerseits durch die Vergleichsmembran \A. den Gehäuseunterteil 3/4u der Stufe A und die Dichtmembran 5AD begrenzt ist. Es sei angenommen, daß p\ größer als p» ist. In diesem Fall resultiert eine Kraft nach unten, die über den Tellerstift 6Au auf die Umformerstufe übertragen wird. In eine über der unteren Vergleichsmembran \D liegende Kammer 13 kann nun ein weiterer Druck p,„ zugeführt werden, der am Ausgang im Verhältnis 1 :1 abgebildet wird, da er auf die gleiche wirksame Membranfläche Fp wie der Ausgangsdruck pn in der unter der Membran ID liegenden Kammer 14 wirkt. Die Kammer 14 weist wieder zwei Anschlüsse 10 und 12 auf, wobei dem Anschluß 10 eine für die Funktion erforderliche Vordrossel 17 (Fig. 2b) vorgeschaltet werden kann. wahrend der Anschluß 12 ais Ausgang dient. Anhand von F i g. 2 läßt sich für den Beharrungszustand beim Kraftvergleich folgende Beziehung aufstellen:

Pd-Fd = Pm

(Px-Pw)-

Daraus ergibt sich der Ausgangsdruck pn

Pd = Pm+ (Px -Pw)-^r--¹O

(D

(2)

I/CI VLIllaillllJl

ist durch das Verhältnis der wirksamen Membranflächen gegeben und daher nicht einstellbar.

Gescnüber einem Verhältnismodul in der bekannten Bauweise hat die in den Fig.2a und 2b gezeigte lose Stapelung der Membranteller den Vorteil, daß diese voneinander abheben können und dadurch eine vom Verhältnis Ki unabhängige Einstellung eines minimalen •Uisgangsdruckes.d. h- eine sogenannte Minimalbegren-/iing ermöglichen.

Gemäß F ig. 2c wird, solange der Kingangsdruck p\ kleiner als der vorgegebene Starlwert p» ist, die Membrane \A in der Stufe A nach oben abgehoben, so daß der Membranteller 2Au keine Kraft nach unten ·■) ausübt. Für p\<p» wird somit am Ausgang />₍₎ruir der Druck p,„ abgebildet und als Minimaldruck gehalten (pi>=Piii). Erst wenn der Eingangsdruck p\ größer als der vorgegebene z. B. mit einem Druckgeber eingestellte Druck ρ» wird, fängt auch der Ausgangsdruck pn an in zu steigen, wobei die Steigung durch das Verhältnis Ki gegeben ist.

Wird eine Mininialbegrenzung nicht gewünscht, so wird die Kammer 13 an die Atmosphäre an angeschlossen (7'm = 0). Der Alisgangsdruck p/jcrgibl sich dann zu:

p₀ = QKiTp_x < /,„., Pd = K_F(p_x-p_w)(ür p_x > p_w.

_>o Der Verhältnismodul gemäß den Fig. 2a, 2b kann auch in Reversfunklion betrieben werden, indem durch einen Umschalter 18 (Fig. 2b) die Zuleitungen zu den Kammern 20 und 21 vertauscht werden. Durch diese Maßnahme steigt der Ausgangsdruck pobei sinkendem

2; l-'ingangsdruck p\.

Über den bereits erwähnten Druckgeber kann der Startdruck p» und damit auch der Startpunkt S gemäß F i g. 2c verändert werden, was zu einer Parallelverschiebung der Kennlinien führt.

in Gemäß F i g. 3 ist ein P-Regler dargestellt, der von einem Membranmodul, bestehend aus einer Druckvergleichsstufe 38 '!nd einem Kraft/Druck-Umformer 39. Gebrauch macht. Soweit die einzelnen Bauteile der Stufen 38 und 39 denjenigen der Stufen A und Dgemäß

π den Fig. la und 2a entsprechen, sind sie mit gleichen Bezugsziffern versehen 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 axial einstellbaren Gegenlager 35 abstützende Feder 31 von unten gegen den Merrbranteller 2Aoder Vergleichsstufe drückt. Der Eingangsdruck p.\ wird als Istwert der Kammer 20 über der Vergleichsmembran \A zugeführt. Der Kraft/ Druck-Umformer 39 macht anstelle eines einfachen Düse-Prallplatte-Systems von einem einstufigen Alternativverstärker Gebrauch, wie er in der älteren Anmeldung P 24 13 843.0 der Anmelderin näher beschrieben ist. Schließlich ist noch ein linearer einseitig entlüfteter Druckteiler 36 für die Realisierung des P-Reglers vorgesehen.

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

Um einen Reversbetrieb des P-Reglers gemäß F i g. 3 zu ermöglichen, muß die Feder 31 über der Vergleichsmembran 1/4 angeordnet werden, und es muß der Istwertdruck p\ von unten gegen die Vergleichsmembran 1/4 wirken.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. 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 Membranteller und Tellerstifte die resultierende Kraft ^;n eine entsprechende Bewegung umgesetzt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmaie:

a) Die Membranteller (2) sind lose in dem Gehäuse (3, 4, 7) gestapelt;

b) es sind flache, dünne Membranen (1) vorgesehen;

c) diese Membranen (1) dienen in den Druckvergleichsstufen dem Druckvergleich, und die Membranteller (2) stützen sich hierbei mit ihren Tellerflächen an den Vergleichsmembranen (1) ab;

d) es sind Dichtmembranen (5) angeordnet, an denen sich die Tellerstifte (6) der Membranteller (2) gegenseitig abstützen;

e) die Membranteller (2) sind im Durchmesser abgesetzt, um einen ersten Durchmesser (D], Di) zu bilden, mit welchem sie in zylindrischen Ausnehmungen des Gehäuses (3, 4, 7) geführt sind, und um einen zweiten Durchmesser (d\, di) zu bilden, der die wirksamen Membranflächen (F) bestimmt; und

f) die wirksame Membranfläche der Dichtmembranen (5) ist gegenüber den wirksamen Membranflächen (F) der Vergleichsmembran (1) vernachlässigbar klein.