DE2810257C2 - Elektropneumatischer Strom/Stellung-Wandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Strom/Slellungs-Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Wandler vermag z. B. ein Pneumatik- bzw. Luftdruck-Ausgangssignal zu liefern oder die Stellung des Schafts eines Verfahrensregclvenlils proportional zu steuern.

Die Umwandlung von elektrischen Eingangssignalen, welche verschiedene Regelgrößen darstellen, in pneumatische Ausgangssignale, die als Sollwerteingangssignalc für pneumatisch beschriebene Geräte oder unmittelbar für die Einstellung des Schafts eines Ventils benutzt werden können, ist auf dem Gebiet der industriellen VciTahrensregelung an sich bekannt. Im Laufe der lahrc sind zahlreiche Vorrichtungen für diesen Zweck entwickelt worden.

Bei bestimmten bisherigen Geräten wird der elektrische Eingangsstrom entweder mittels einer Schwingspule oder mittels eines Drehmomenterzeugers mit flachem Anker zunächst in eine äquivalente Kraft umgewandelt. Diese Kraft wird dann mittels eines Balgens über ein angelenktes Schwenkelement abgeglichen. Ein pneumatisches Klappen-Düsensystem hält das Schwenkelement in einer Nullstellung durch Anlegen des nötigen Ausgleichdrucks an den Balgen. Auf diese

Wekn wird Äquivalenz zwischen dem F.inuantrsstrnm und dem Ausgangsdruck hergestellt.

Diese Vorrichtung zur pneumatischen Erzeugung eines Ausgangssignals durch einander entgegenwirkende Kräfte wird üblicherweise als »Kraftausgleichsystem« bezeichnet. Ein solches System zeichnet sich dadurch aus, daß nur wenig wahrnehmbare Bewegung zwischen den verschiedenen betrieblichen Teilen, also Düsenklappe, Schwenkelement und Balgen, auftritt. Typischerweise liegt der Bewegungsbereich dieser Teile in der Größenordnung von 0,0254 mm. Geräte dieser Art sind im Handel von den Firmen The Foxboro Company (Modell 69TA) und Fisher Governor Company (Typ 546) erhältlich.

Ungeachtet des bisherigen Entwickiungsaufwands, der sich im Angebot zahlreicher Geräte oder Instrumente für dieses Anwendungsgebiet niederschlägt, sind diese Geräte entweder nicht voll zufriedenstellend oder in Aufbau und Herstellung aufwendig. Insbesondere die bisherigen Geräte mit einem Kraftausgleichsystem besitzen nur begrenzte Vielseitigkeit für die Anwendung in anderen Verfahrensregelungen.

Aus der DE-AS 22 64 220 ist ein elektropneumatischer Strom/Stellungs-Wandler bekannt, der nach der sogenannten Bewegungsnachlauftheorie arbeitet, wobei die Düse der Bewegung der Klappe folgt, um in Abhängigkeit von den Änderungen der Eingangsstrombedingungen eine neue Gleichgewichtsposition einzunehmen. Dieser Wandler soll gegen äußere mechanische Einflüsse möglichst unempfindlich sein, mit hohen Grenzfrequenzen und möglichst kleinen Laufzeiten arbeiten können und vor allem eine gute Linearität aufweisen. Insbesondere im Hinblick auf die Linearität ist es bei dem bekannten Wandler wichtig, daß die Düse und die Klappe nur sehr kleine Ausschläge im Bereich von maximal ca. 1 mm aufweisen, was wegen des Hebelarmverhältnisses einer Motorbewegung von nur einem V2 mm, entspricht. Zwar besitzt der bekannte Wandler, wie bereits ausgeführt, eine Spule, welche mit einem Dauermagneten, nämlich mit einem Topfmagneten, zusammenarbeitet. Diese Motoranordnung ist jedoch unsymmetrisch, wobei sich insbesondere ungleiche Massen an beiden Seiten der Lagerung des Ausgangsgliedes befinden. Bei dem Wandler ist also die Motoranordnung unsymmetrisch aufgebaut, so daß es allenfalls unter großem Aufwand, wenn überhaupt, möglich ist, ein statisches und dynamisches Gleichgewicht herzustellen. Um eine gute Linearität der Bewegung sicherzustellen, sind für die Düse bzw. die Prallplatte nur äußerst geringe Ausschläge zugelassen, was aber die Empfindlichkeit gegenüber Störungen erhöht.

Weiterhin ist aus der GB-PS 7 05 702 ein Motor mit einem Drehspulinstrument bekannt, das aber eine volle Kreisbewegung ausführt, wobei von der Drehspule über eine stirnseitige Steuerfläche eine entgegenstehende Düse beeinflußt wird. Eine solche Anordnung weist infolge der vollen Kreisbewegung ein extrem nichtlineares Verhalten auf, so daß ihr Einsatz bei einem Wandler der eingangs genannten Art nicht in Betracht kommt.

Schließlich ist aus der FR-PS 12 58 366 eine Magnetanordnung mit vier Düsen bekannt, die jeweils paarweise diagonal zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den Düsen eine zweiflügelige Klappe vorgesehen ist. Über die Magnetanordnung kann die zweiflügelige Klappe gedreht werden, wobei die beiden Flügel jeweils an zwei diagonal zueinander stehenden Düsen angenähert und von den beiden anderen diagonal gegenüberstehenden Düsen entfernt werden. Der Drehanker der Magnetanorrinng wird wahlwekp an jeweils diagonal gegenüberstehende Polpaare angezogen. Die Bewegung ist somit auch hier nicht linear, da die dauermagnetischer Anzugskräfte mit Annäherung des Drehankers an eine Polfläche jeweils exponentiell steigen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen einfach und kompakt aufgebauten Strom/Stellungswandler zu schaffen, der statisch und dynamisch auseeelichen eestaltet und

unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, wie mechanischen Stoßen oder Temperaturschwankungen ist, wobei trotz einer verhältnismäßig großen Auslenkung des Ausgangsgliedes bzw. Stellungsfühlers eine gute Linearität in der Bewegung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Strom/Stellungswandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teilen angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 15.

Die Erfindung ermöglicht einen elektromagnetischen Strom/SteUungs-Wandler, der genau und zuverlässig arbeitet, ungünstigen Umwelteinflüssen gegenüber widerstandsfähig, dabei aber einfach und kompakt gebaut ist und bei hoher Linearität eine außerordentlich große Vielseitigkeit für vielfältige Anwendungszwecke bietet.

Der Eingangsstrom in den Wandler wird an einen einfachen Motor angelegt, der einen Dauermagneten als Stator oder Ständer und eine federgebremste Spule als Rotor oder Läufer aufweist. Der Magnet befindet sich innerhalb des Umrisses der Spule, die mit zwei Biegestücken verbunden ist, welche nicht nur als Schwenkpunkte zur Ermöglichung einer Drehung der Spule um den Magneten, sondern auch als Federbremselemente zum Ab- oder Ausgleichen des durch den Eingangsstrom erzeugten Drehmoments dienen. Der der Spule eingespeiste Eingangsstrom induziert dabei eine der Größe des eingespeisten Stroms porportionale mechanische Drehung der Spule um die Mittelachse des Magneten herum.

An der Spule ist eine mit ihr über einen Kreisbogen mitbewegliche Klappe angebracht, die so angeordnet ist, daß sie die Düse einer pneumatischen Schaltung verschließen vermag. Bei Stromanlegung an die Spule ändert die Klappe ihre Winkelstellung zum Verschließen der Düse, wodurch der Gegendruck im Düsenkreis geändert wird. Dieser Druck wird verstärkt und dann über eine Rückkopplungseinrichtung zu einem Steuerhebel übertragen, an dem die Düse montiert ist so daß die Düse durch das aufgrund dieser Düsen-Klappen-Wechselwirkung erzeugte Drucksignal derart verstellt wird, daß ein im wesentlichen konstanter Abstand zwischen Klappe und Düse erhalten bleibt. Obgleich zwischen Klappe und Düse kein körperlicher Kontakt besteht, bewirkt die Bewegung der Klappe eine 1 :1-Nachlaufbewegung der Düse, welche im Fall dieses elektropneumatischen Wandlers der Größe des eingespeisten Eingangsstroms proportional ist Dieser Steuer- bzw. Regelkreis bewirkt also sozusagen einen Bewegungsabgleich der zusammenwirkenden Teile. Der durch die Düse erzeugte pneumatische Gegendruck ist dem angelegten Eingangsstrom proportional und kann als pneumatisches Ausgangssignal für beliebige vielfältige Zwecke benutzt werden.

Der Gesamtaufbau des erfindungsgemäßen Wandlers vereinigt in sich eine hohe Meßgenauigkeit speziell unter dem Einfluß von Stoß und Schwingung, mit einer kompakten, symmetrischen Konstruktion, die sich wirtschaftlich herstellen läßt und eine erhöhte Anwendungsvielseitigkeit bietet.

Da sich die Spule in den stärksten Magnetflußbereichen eines intensiven Magnetfelds dreht, wird die Linearität der Ausgangs- oder Abtriebsbewegung gegenüber dem Eingangsstrom verbessert, wodurch die Gesamtgenauigkeit der Vorrichtung weiter verbessert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, iis zeigt

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene perspektivische Darstellung eines elektropneumatischen Strom/ Stellungs-Wandlers mit Merkmalen nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Stirnseitenansicht des Wandlers nach Fig. 1 mit entferntem Vorrichtungsgehäuse zur deutlicheren Veranschaulichung der Beziehung zwischen den betrieblichen Bauteilen,

Fig.3 eine Seitenansicht des Wandlers nach Fig. 1, wiederum mit entferntem Gehäuse, zur Darstellung der Einzelheiten der pneumatischen Rückkopplungseinrichtung,

Fig.4 eine teilweise im Schnitt gehaltene perspektivische Darstellung der Motoranordnung des Wandlers,

F ί g. 5 einen Querschnitt durch die Motoranordnung von F i g. 4,

Fig.6 eine perspektivische Darstellung der Aufhängung für die Motoranordnung,

Fig. 7 eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers zur Steuerung der Stellung eines Ventilschaft,

Fig.8 eine Stirnseitenansicht des Wandlers nach F i g. 7 mit abgenommenem Gehäuse,
Fig.9 eine Seitenansicht des Wandlers nach Fig.7 mit entferntem Gehäuse zur Veranschaulichung der Einzelheiten der Rückkopplungseinrichtung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Wandlers

gemäß Fig. 7 zur Veranschaulichung eines typischen Elements im Rückkopplungskreis bei Auslegung des Wandlers für die Steuerung der Stellung eines Ventils und

F i g. 11 eine perspektivische Darstellung eines Bereichseinstellmechanismus des Wandlers nach F i g. 7.
Der elektropneumatische Strom/Stellungs-Wandler 10 gemäß den Fig. 1 bis 3 weist ein zylindrisches Gehäuse 12 auf, an dessen einem Ende ein Motor 14 angebracht ist. Eine Klappe 16, die durch den Motor längs einer bogenförmigen, aber im wesentlichen lotrechten Bahn verstellt wird, verschließt eine Düse 18 eines Pneumatikkreises mit einem Rückkopplungsbalgen 20 und einem Relais 22, die auf übliche Weise über Leitungen 23, 24 miteinander verbunden sind. Der Balgen 20 ist mit seinem oberen Ende über eine plattformatigc Halterung 26 starr am Gehäuse 12 befestigt, während sein unteres Ende mit einem Düsen-Steuerhebel 28 zusammenwirkt der zur Ermöglichung kleiner Schwenkbewegungen durch zwei verformbare Blattfedern 29,30 gehaltert ist Die Düse 18 ist mit dem Hebel 28 über eine Strebe 32 in der Weise verbunden, daß bei Stromanlegung an den Motor 14, wodurch die Klappe 16 gegen die Düse 18 bewegt wird, im Balgen 20 eine entsprechende Druckerhöhung entsteht, durch die eine Düsenbewegung hervorgebracht wird, welche der Bewegung der Klappe 16 äquivalent ist und welche in dieselbe Richtung wie diese erfolgt

Der Motor 14 (vgl. F i g. 4 bis 6) besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse 40, das einen zylindrischen Dauermagneten 41 umschließt wobei zwischen dem Magneten 41 und dem Gehäuse 40 eine längliche, im wesentlichen rechteckige Spule 42 vorgesehen ist. Die zweckmäßige Aufhängung der Spule 42 wird später noch näher erläutert werden. Der Magnet 41 ist längs seines einen Rands an einem elektrischen Anschlußblock 43 befestigt in den Eingangs-Stromleitungen 44,45 hineinführen. Die richtige Ausrichtung des Magneten 41 im rohrförmigen Gehäuse 40 wird durch eine Winkelhalterung 46 gewährleistet, die sich längs

der gesamten Achse des Magneten erstreckt und zwischen diesem und dem Gehäuse 40 einen Keil bildet. Infolge dieser Anordnung kann sich die Spule 42 drehen, ohne den Magneten 41 oder das Gehäuse 40 zu berühren. Zur Verhinderung einer Störung oder Beeinflussung durch die Magnetfeldverteilung sind der Anschlußblock 43 und die Winkelhalterung 46 aus einem nichtmagnctischcn Material hergestellt.

Der Magnet 41 ist längs seines Durchmessers so magnetisiert, daß seine Nord- und Südpole längs der gesamten Achse des Magneten 41 einander diametral gegenüberliegen. Das rohrförmige Gehäuse 40 besteht vorzugsweise aus einem Weicheisenmaterial, um einen Rückflußweg zu bilden und dadurch das Magnetfeld an den betreffenden Nord- und Südpolen zu verstärken. Darüber hinaus schirmt das Gehäuse 40 die drehbare Spulen-Magnet-Anordnung vor Einflüssen äußerer Magnetfelder ab.

Die Langsciten der Spule 42 dienen als ihre wirksamen Seilen, die daher derart neben den Polen des Magneten 41 angeordnet sind, daß der größte Teil des Magnetfelds durch die wirksamen Seiten hindurch verläuft. Zur Ermöglichung einer entsprechenden Drehung der Spule 42 um den Magneten 41 ist diese Spule 42 an einem Rahmen 47 montiert, an dessen beiden Enden V-förmige Biegeträger 48A, 48ß vorgesehen sind. Die Anordnung aus der Spule 42 und dem Rahmen 47 ist um den Magneten 41 herum aufgesetzt, der seinerseits auf dem Anschlußblock 43 ruht. Die Winkelhalterung 46 ist so über die Oberseite des Magneten 41 aufgesetzt, daß ein Anschlußpunkt für zwei Biegestücke 49A, 495 an den beiden Enden der Spule 42 gebildet wird. Bei der Montage wird diese gesamte Unierbaugruppe in das rohrförmige Gehäuse 40 eingesetzt, so daß die Spule 42 derart aufgehängt ist, daß sie eine Drehung um die Symmetrieachse des Magneten 41 herum durchzuführen vermag. Die endgültige Ausrichtung bzw. Ausfluchtung und Befestigung erfolgt durch Festziehen einer nicht dargestellten, im Gehäuse 40 angeordneten Stellschraube, die am Anschlußblock 43 angreift. Selbstverständlich ist die Spule 42 sorgfältig so dimensioniert, daß bei der Drehung über den Arbeitsbereich des Geräts eine Berührung mit dem Magneten 41 oder dem rohrförmigen Gehäuse 40 sicher verhindert wird.

Diese ganz spezielle Konfiguration des Motors 14, bei dem sich die Spule 42 gegenüber dem Magneten 41 an dessen Außenseite dreht, bietet verschiedene Vorteile. Diese ausgeglichene bzw. abgeglichene, symmetrische Konstruktion gewährleistet eine minimale Empfindlichkeit gegenüber den ungünstigen Einflüssen von äußeren, eine Verschiebung bewirkenden Schwingungen aufgrund von Unwucht, die von Fertigungs- und/oder von Montagetoleranzen herrührt. Weiterhin ist die gesamte Spulenanordnung einem höchst intensiven, gleichmäßigen Magnetfeld ausgesetzt, so daß eine gute Linearität in der Ansprechkennlinie des Motors bei dessen Drehung gewährleistet wird. Eine Verbesserung des dynamischen Ansprechens wird dadurch erreicht, daß an der Spule 42 ein Kupferleiter in Form einer kurzgeschlossenen Wicklung angebracht wird. Hierdurch wird eine ausreichende Dämpfung erzielt, um das sogenannte »Klingeln« infolge der plötzlichen Anlegung eines elektrischen Eingangsstroms sowie äußerer Schwingungseinflüsse weitgehend zu unterdrücken.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Wandlers näher beschrieben. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich ein Abschnitt des Spulen rahmens 47 in der Nähe des Umfangs des Gehäuses 40 von beiden radialen Rändern seitlich nach außen unter Bildung von zwei Klappen 16 und 17. Der Zweck dieser zweiten, nach rückwärts gerichteten Klappe 17 wird im folgenden noch näher erläutert werden. Wenn die Spule 42 mil einem Eingangsslrom positiver Polarität beaufschlagt wird, wird durch die dabei stattfindende Wechselwirkung mit dem Magnetfeld ein Drehmoment erzeugt, welches die Spule 42 zu einer Drehung im Uhrzeigersinn zwingt, bis ein Drehmomentausgleich zwisehen den erzeugten Magnetkräften und der durch die beiden Biegestücke 49A, 49ß ausgeübten Bremskraft erreicht ist. Die resultierende Winkeldrehung ist also im wesentlichen der Größe des zugeführten Eingangsstroms proportional. Ersichtlicherweise erfüllen die Dreh-Biegestücke 49.4, 49 S somit die doppelte Aufgabe, daß sie einmal die Spule 42 um den Magneten 41 herum haltern bzw. aufhängen und zum anderen eine genau gesteuerte Federkraft zur Bestimmung der Größe der Drehbewegung gewährleisten. Im normalen Betriebsbereich des Wandlers besitzt die Klappe 17 eine Nenn-Winkeldrehung von 7°.

Der Strom/Stellungs-Wandler gemäß den F i g. 1 bis 3 ist so ausgelegt, daß er ein elektrisches Eingangssignal in ein entsprechendes Druckausgangssigna! umwandelt.

Wenn sich die Klappe 16 unter dem Einfluß eines angelegten Stromsignals dichter an die Düse 18 heran bewegt, nimmt der Gegendruck in der Düse 18 aufgrund der Strömungsdrosselung zu. Dieser Gegendruck wird auf übliche Weise durch das Relais 22 verstärkt und über die Leitung 24 an den Rückkopplungsbalgen 20 angelegt. Wie erwähnt, ist der Balgen 20 in eine am Vorrichtungsgehäuse 12 befestigte Konstruktion einbezogen, die einen durch Feder gebremsten Steuerhebel 28 umfaßt, mit dem die Düse 18 mittels einer Stützstrebe 32 verbunden ist.

Wenn sich der Druck im Balgen 20 erhöht, erfährt der Düsen-Steuerhebel 28 gegen die durch die Blattfeder 29,30 ausgeübte Bremskraft eine Auslenkung, wodurch die Düse 18 in dieselbe Richtung wie die Klappe, d. h.

von dieser hinweg, bewegt wird, bis der Gleichgewichtszustand wieder hergestellt ist. Am neu erreichten Gleichgewichtspunkt ist der erhöhte Balgendruck dem Eingangssignal unmittelbar proportional. Ein sich erhöhender Eingangsdruck bewirkt daher einen Anstieg des im Baigen 20 erzeugten Ausgangsdrucks. Bei einer typischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers, die sich speziell zur Verwendung bei industriellen Verfahrensregelanlagen eignet, erzeugt ein Eingangsstrom von 4—20 mA ein entsprechendes Ausgangssi- gnal von 0,21 — 1,05 mbar. Durch die Schaltung von Dioden 51, 52 über die Eingangsklemmen der Spule wird ein Stromweg zur Zerstreuung von in der Spule 42 gespeicherter Energie für den Fall eines Eingangssignals von einem offenen Stromkreis geschaffen, wodurch Eigensicherheit gewährleistet wird, wenn der Wandler 10 in einer explosionsgefährdeten Umgebung eingesetzt wird.

Durch die insgesamt symmetrische Konstruktion des Wandlers 10, speziell bezüglich der Drehwinkelbeziehung zwischen Motor 14, Klappe 16 und Düse 18, wird auch die genaue Justierung wesentlich vereinfacht. Zur Einstellung des Nullpunkts (Nullabgleich) ist die Motoranordnung gemäß F i g. 3 auf zwei konischen Drehzapfen 33 und 34 gelagert. Am hinteren Deckel des Motors 14 ist ein Flansch 35 befestigt, gegen den eine federbelastete Nulleinstellschraube 36 wirkt. Wenn die Schraube 36 gedreht wird, dreht sich der Motor 14 auf den Drehzapfen 33, 34, was eine entsprechende Bewegung der

Klappe 16 zur Folge hat, die ihrerseits zu einer Änderung des Ausgangsdrucks führt. Eine Lastfeder 38 hält dabei die Motoreinstellung aufrecht. Durch entsprechendes Drehen der Nulleinstellschraube 36 kann damit sehr genau ein Ausgangssignal niedrigen Drucks (Null) von z. B. 0,21 bar für einen niedrigen Eingangsstrom von z. B.4mA eingestellt werden.

Bei jeder wesentlichen Änderung des Arbeitsbereichs müssen die Blattfedern 29, 30 und/oder der Balgen 20 durch Elemente mit anderer Federkennung ersetzt werden. Kleinere Bereichseinstellungen, (d. h. Änderungen zwischen oberem und unterem Pegel des Ausgangssignals für ein festes Eingangssignal) zum Kompensieren von Fertigungstoleranzen können dagegen ohne weiteres im Werk und/oder am Einsatzort vorgenommen werden. Zwei Kontermuttern 54 und 55 auf einem Stehbolzen 56, der zwischen der plattformartigen Halterung 26 und einer ebenfalls am Gehäuse 12 befestigten Bereichseinstell-Halterung 58 befestigt ist, ermöglichen ein Verschwenken der gesamten Rückkopplungsbalgenanordnung im wesentlichen parallel zur Klappe 16. Eine Verstellung dieser Muttern 54,55 auf dem Stehbolzen 56 führt zu einer Biegung von einer in F i g. 1 senkrecht verlaufenden Achse, die durch einen rechtwinkligen Knick 57 der Halterung 26 gelegt ist. Diese Drehung der Halterung 26 verschiebt die Düse 18 radial bezüglich der Drehachse des Motors 14 über die Klappe

16 hinweg, während ein konstanter Abstand zwischen der Düse 18 und der Klappe 16 im wesentlichen erhalten bleibt. Durch diese Justierung wird der effektive Drehradius um den Motor 14 verändert, und da der Wandler auf der Grundlage eines Abgleichs der Bewegung der betrieblichen Bauteile arbeitet, wird durch eine Änderung des Hebelarmverhältnisses zwischen Klappe 16 und Düse 18 eine Änderung des Arbeitsbereichs bzw. des Ausschlags hervorgebracht, d. h. die Düse 18 ist für eine gegebene Klappenbewegung mehr oder weniger zu verfahren. Durch die beiden zur Sicherung vorgesehenen Muttern 54,55 wird auch eine zusätzliche Abstützung gegen Schwingung geboten.

Die vergrößerte Vielseitigkeit des erfindungsgemäßen Wandlers kann beispielsweise dadurch belegt werden, daß die gesamte Motoranordnung aus dem Gehäuse ausgebaut werden kann, indem der Stehbolzen 56 von der plattformartigen Halterung 26 getrennt wird und die Bereichseinstell-Halterung 58 sowie eine Masseleiste 59 herausgenommen werden. Anschließend kann der Motor umgedreht wieder eingebaut werden, so daß die andere Klappe 17 die Düse 18 verschließt. Da diese zweite Klappe 17 der ersten Klappe 16 diametral gegenüberliegt und sich um dieselbe Achse dreht, wird durch ein sich vergrößerndes Stromsignal diese Klappe

17 von der Düse 18 wegbewegt, so daß der Ausgangsdruck im Balgen 20 abfällt. Sofern im speziellen Anwendungsfall eine umgekehrte Beziehung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal erforderlich ist, kann mit dieser speziellen, doppelseitigen Motorkonfiguration durch einen einfachen Umrüstvorgang eine Drehrichtungsumkehrung ohne Umpolung erreicht werden. Eine Umpolung des Stroms würde nämlich auch eine Umkehrung der Polarität der Dioden 51 und 52 bedingen, wodurch die von diesen gebotene Eigensicherheit beeinträchtigt werden würde. Bei der Umrüstung des Motors auf die beschriebene Weise sind in den meisten Fälien selbstverständlich kleinere Nachjustierungen für Nullabgleich und Bereichseinstellung auf die vorher beschriebene Weise nötig.

In den Fig.7 bis 11 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Strom/Stellungs-Wandlers dargestellt, der sich für die Einstellung bzw. Steuerung der Stellung des Schafts eines Verfahrensregelventils eignet. Eine oberflächliche Betrachtung dieser Figuren läßt bereits die auffällige Ähnlichkeit mit dem Slrom/Stellungs-Wandler gemäß den F i g. 1 bis 3 erkennen. Die Grundkonstruktionen beider Wandler, insbesondere die mit dem Stromeingangssignal beaufschlagten Motoren, sind in beiden Fällen identisch. Gewisse kleinere, im folgcnden noch zu beschreibende Änderungen wurden am Rückkopplungskreis zur Ermöglichung der Steuerung der Ventilschaftstellung vorgenommen. Dieses weitere Beispiel verdeutlicht die weitreichende Vielseitigkeit des Wandlers in Anwendung auf elektropneumatischc Geräte.

Wie erwähnt, entspricht die gesamte Motoranordnung 14 mit der einstückig mit ihr verbundenen Klappe 16 der vorher beschriebenen Konstruktion. Die Düse 70 des Pneumatikkreises ist jedoch an einem L-förmigen Rückkopplungshebel 71 montiert, der an einem Gehäuseträger 72 mittels eines Querbiegestücks 73 mit senkrecht zur Zeichnungsebene von F i g. 8 liegendem Schwenkpunkt schwenkbar verbunden ist. Wenn an den Motor Strom angelegt wird, verdreht sich die Klappe 16 zum Verschließen der Düse 70, wodurch an einem Relais 74 (F i g. 10) ein Gegendruck erzeugt wird. Der entsprechende Anstieg des Ausgangsdrucks des Relais 74 wird zu einer Ventilstell-Druckkammer übertragen, durch die eine Bewegung des Ventilschafts hervorgcbracht wird. Die Ventilbetätigungs- oder Ventilstcllanordnung ist an sich bekannt und daher nicht dargestellt. Bezüglich weiterer Einzelheiten der Arbeitsweise einer solchen Anordnung wird auf die US-PS 26 61 725 verwiesen. Die Linearverschiebung des Ventilschafts wird in an sich bekannter Weise, typischerweise mittels eines Hebels, in eine Drehung einer Stellungsrückkopplungswelle 75 umgewandelt

Die drehbare Welle 75 durchsetzt das Gehäuse 12 durch ein Flammenschutzlager 76, wo sie mit einer Zwisehen- bzw. Übertragungsanordnung 77 gemäß F i g. 11 verbunden ist. Die Anordnung 77 umfaßt eine Halterung 78, deren eines Ende mit der Welle 75 fest verbunden ist und die an ihrem anderen Ende eine Rolle 81 trägt Die Rolle 81 liegt am Hebel 71 an einer Stelle an, die seitlich von der Schwenkachse des Hebels 71 versetzt ist. Eine zwischen den Hebel 71 und den Gehäuseträger 72 eingesetzte Schraubenfeder 82 drängt den Hebel 71 über den Arbeitsbereich des Stelllriebs hinweg gegen die Rolle an. Bei der Drehung der Welle 75 bc-

wirkt also die Übertragungsanordnung eine Umwandlung der Drehbewegung in einen lotrechten WinkcUiusschlag der Düse 70. Wenn die Rolle 81 auf die in F i g. 7 dargestellte Weise angeordnet d. h. zur Rückseite hin seitlich vom Dreh- bzw. Schwenkpunkt versetzt ist. wird durch die Drehung der Welle 75 eine Verschiebung der Düse 70 hervorgebracht welche dem Ausschlag der Klappe 16 (vgl. Fig.8) folgt bis der Wandler für das neue Stromeingangssignal wieder ausgeglichen ist, so daß sich an diesem Punkt der Ausgangsdruck stabilisiert und die Ventilbewegung aufhört. Infolge der Anordnung der Stellungsrückkopplungswelle 75, des schwenkbar gelagerten Rückkopplungshebels 71 sowie zusätzlicher Hebel bewirkt also ein an den Eingang des Wandlers angelegter Strom eine proportionale Positionierung des Ventilschafts.

Zur Verdeutlichung der Vielseitigkeit bzw. Anpassungsfähigkeit dieser Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden auf F i g. 11 Bezug genommen, wcl-

11

ehe die Rolle 81 veranschaulicht, die starr an einem Block 79 befestigt ist, der seinerseits auf eine Schraubspindel 80 aufgeschraubt ist. Durch einfache Justierung der Schraubspindel wird der Berührungspunkt zwischen der Rolle und dem Hebel 71 geändert und somit das Verhältnis zwischen der Drehung der Stellungsrückkopplungswelle 75 und dem Winkelausschlag der Düse 70 variiert. Diese Einstellung ermöglicht eine Anpassung an Änderungen der Ventilschaftbewegung bei gleicher Motorbewegung. Falls nämlich der Anlagepunkt zur gegenüberliegenden Seite des Dreh- bzw. Schwenkpunkts, d. h. zur Vorderseite des Wandlers hin verlagert '; wird, wird tatsächlich eine Umkehrung der Ventilhub- ;■' einrichtung in Abhängigkeit vom Ausgangsdruck ohne Stromumpolung erreicht.

;,v Der Nullabgleich dieser Ausführungsform der Erfin-

^; dung erfolgt auf dieselbe Weise, wie sie in Verbindung ■"■. mit dem Wandler gemäß F i g. 1 beschrieben wurde.
.;■; Es wird also ein elektropneumatischer Strom/Stel-

i,'< lungs-Wandler mit einem Elektromotor geschaffen, der '.; als Stator einen Dauermagneten und als Rotor bzw. ; Läufer eine federgebremste, um den Magneten herum f; schwenkbar aufgehängte Spule aufweist. Ein der Spule f.; eingespeister Eingangsstrom induziert eine mechanische Drehung der Spule um den Magneten, wobei diese Drehung dem eingespeisten Strom proportional ist. An der Spule ist zur Drehung mit dieser eine Klappe befestigt, welche die Düse eines Pneumatikkreises zu ver- ; schließen vermag. Wenn die Spule mit Strom gespeist

wird, bewegt sich die Klappe gegen die Düse, wodurch <\ der Gegendruck im Pneumatikkreis geändert wird. Die- ■" se Druckänderung wird verstärkt, dann durch entspre- <L chcndc, auf Druck ansprechende Einrichtungen abge-₍' griffen und anschließend zu einem Steuerhebel rückgekoppelt, an welchem die Düse montiert ist. Auf diese Weise wird die Düse neu eingestellt, so daß zwischen Klappe und Düse ein im wesentlichen konstanter Abstand erhalten bleibt. Das von diesem pneumatischen Stcucrkreis erzeugte Drucksignal ist dem eingespeisten Strom proportional, und es kann als pneumatisches Ausgangssignal für verschiedene andere Zwecke benutzt werden. Beschrieben sind zwei spezielle Ausführungsformen des Wandlers, von denen die eine ein Stromeingangssignal in ein entsprechendes Druckausgangssignal umwandelt und die andere mit einem elektrischen Eingangssignal zur Proportionalsteuerung der Stellung des Schafts eines Verfahrensregelventils beaufschlagt ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims (15)

Patentansprüche:

1. Elektropneumatischer Strom/Stellungs-Wandler mit einem von einem Eingangsstrom speisbaren Motor (14), dessen bewegliches Ausgangsglied eine relativ zu einer Dauermagnetanordnung bewegliche Spule (42) besitzt und dessen Stellung der Größe des Eingangsstroms entspricht,

mit einem Krafthemmungsmittel (4SA, 49A, 48B, 49B), welches der Bewegung des Ausgangsgliedes entgegensteht und so angeordnet ist, daß es dessen resultierende Bewegung in einer Position hält, die der Größe des Eingangsstroms entspricht,
mit einer pneumatischen Klappe (16), die an dem Motor-Ausgangsglied (42) befestigt ist,
mit einem eine pneumatische Düse (18, 70) tragender, verstellbaren Träger (28, 32, 71) zur Ermöglichung einer Bewegung der Düse (18,70) über einen Bereich entsprechend dem Bewegungsbereich der Klappe (16),

mit einem pneumatischen Relais (22, 74), welches den Gegendruck der Düse (18,70) aufnimmt, um ein entsprechend verstärktes Ausgangsdrucksignal zu erzeugen, sowie mit einer vom Ausgangsdrucksignal gesteuerten pneumatischen Rückkopplungseinrichtung (20, 28,29,75,81,82,73) mit einer mit dem verstellbaren Träger (28, 32, 71) gekoppelten, eine Bewegung erzeugenden Einrichtung (20,29,75,81,82) zur Erzeugung einer Positionsverschiebung der Düse in Abhängigkeit von der Bewegung der Klappe in der Weise, daß ein enger Abstand zwischen der Klappe und der Düse gehalten wird, wobei die Positionsverschiebung eine Funktion des Eingangsstroms ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (42) des beweglichen Motor-Ausgangsgliedes symmetrisch um einen Dauermagneten (41) herum derart aufgehängt ist, daß die Spule bei Erregung durch den Eingangsstrom sich um die Längsachse des Magneten (41) dreht, und daß die Klappe (16) an dem Ausgangsglied in einer radial von der Drehachse der Spule (42) abgesetzten Position so angeordnet ist, daß die Klappe (16) sich im Winkel um diese bewegt, wobei die Winkelstellung der Klappe (16) von der Größe des Eingangsstroms abhängt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Seiten der Spule (42) neben den Polen des Magneten (41) und innerhalb des Hauptteiles des von diesem erzeugten Magnetfelds angeordnet sind, so daß effektiv Linearität zwischen der Abtriebsbewegung und dem Eingangsstrom gewährleistet ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Seiten der Spule (42) ihre Langseiten sind.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spule (42) an zugeordneten Biegestücken (49/4, 49B) aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegestücke (49/4,49B)an den gegenüberliegenden Enden der Spuie (42) angeordnet ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der einen Randkante der Spule (42) ein Kupferleiter in Form einer kurzgeschlosenen Wicklung oder Windung als Dämpfungselement zur Verbesserung des dynamischen Ansprechverhaltens des Wandlers angeordnet ist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der ersten Klappe (16) gegenüberliegenden Ende der Spule (42) eine zweite Klappe (17) vorgesehen ist, die sich um dieselbe Achse wie die erstgenannte Klappe (16) dreht, jedoch dieser diametral gegenüberliegend angeordnet ist, so daß dann, wenn der Motor (14) umgekehrt in den Wandler eingebaut ist, die zweite Klappe (17) die Düse (18) verschließt und dabei ein umgekehrtes Verhältnis zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstellung einführt

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (14) an seinen gegenüberliegenden Enden auf konischen Drehzapfen (33,34) gelagert ist, die eine Drehung zur Ermöglichung eines Nullabgleichs des Wandlers zulassen.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Motors (14) ein Flansch (35) befestigt ist und daß eine gegen den Flansch (35) federbelastete Schraube (36) vorgesehen ist, durch deren Verstellung der Motor (14) unter Herbeiführung einer Änderung des Ausgangsdrucksignals bei vorgegebenen Eingangsstrom verdrehbar ist

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über den Eingang der Spule Dioden als Offenkreisschutz geschaltet sind, so daß die Eigensicherheit des Wandlers verbessert ist.

10. Wandler nach Anspruch 1, wobei die pneumatische Rückkopplungseinrichtung einen Balgen umfaßt, welcher das Ausgangsdrucksignal abnimmt und dieses in eine den verschiebbaren Träger beaufschlagende Kraft umwandelt und wobei mit dieser Einrichtung ein Federmittel gekoppelt ist, welches die Stellung dieses Trägers proportional dem Druck angleicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel aus Blattfedern (29, 30) besteht, die mit dem verschiebbaren Träger (32) verbunden und so angeordnet sind, daß sie eine kleine Schwenkbewegung dieses Trägers zulassen, wenn dieser mit der Kraft beaufschlagt wird.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an dem vom verschiebbaren Träger (32) abgewandten Ende des Balgens eine im wesentlichen steife, aber verformbare Traganordnung (26) angebracht ist, welche als Halter für die Blattfedern (29, 30) dient und praktisch parallel zum verschiebbaren Träger (32) angeordnet ist, und daß mit der Traganordnung (26) Mittel (58) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Klappe (18) und Düse (16) unter Aufrechterhaltung eines konstanten Abstands zwischen beiden verbunden sind, so daß eine Einstellung des Arbeitsbereichs des Wandlers durchführbar ist.

12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Übersetzungsverhältnis ändernden Mittel (58) einen Stehbolzen (56) umfassen, welcher die Traganordnung (26) rechtwinkelig mit dem Wandler verbindet und der eine erste verstellbare Mutter (54) zum Durchbiegen der Traganordnung (26) zwecks

i ullcivcrsclncbüng im effektiven

Radius der Klappen/Düseneinheit sowie eine zweite verstellbare Mutter (55) zur Festlegung der Radiusverschiebung unter weitgehender Ausschaltung eines Schwingungseinflusses auf die Bercichscinsicllung aufweist.

13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatische

Rückkopplungseinrichtung einen Ventil-Stelltrieb, welcher das Ausgangsdrucksignal aufnimmt und eine Verschiebung eines Ventilschafts einführt, und eine den Stelltrieb mit dem verschiebbaren Träger (7t) verbindende Einrichtung zur Hervorbringung proportionaler Obereinstimmung zwischen der Stellung des Ventilschafts und der Stellung des verschiebbaren Trägers (71) aufweist, so daß der Ventilschaft eine dem Eingangsstrom entsprechende Stellung einnimmt (F ig. 10).

14. Wa.idler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ventilschaft eine sich durch den Wandler erstreckende Welle (75) gekoppelt ist, die in Abhängigkeit von der Bewegung des Ventilschafts eine Drehbewegung durchzuführen vermag, daß an der Welle eine mit dieser mitdrehbare Halterung (78) angebracht ist daß am anderen Ende der Halterung eine am verschiebbaren Träger (71) anliegende Rolle (81) angeordnet ist und daß der verschiebbare Träger (71) am Wandler an einer Stelle angclcnkl ist, die seitlich von der Stelle versetzt ist, an welcher die Rolle (81) den Träger (71) berührt, so daß eine Winkelverschiebung des zweitgenannten F.lementes unter Erhaltung des engen Abstandes zwischen Klappe (18) und Düse (70) hervorbringbar ist.

15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (79, 80) zur Einstellung des Berührungspunkts zur Anpassung an Änderungen der Größe und/oder Richtung der Ventil-Schaftbewegung bei vorgegebenen Eingangsstrom vorgesehen ist.