DE3034326T1

DE3034326T1 - A signal converting unit intended to be incorporated in a pneumatic control system

Info

Publication number: DE3034326T1
Application number: DE803034326T
Authority: DE
Inventors: J Formanek; A Jacobsson
Original assignee: Saab Scania AB
Current assignee: NAF Controls AB
Priority date: 1979-03-01
Filing date: 1980-02-29
Publication date: 1981-04-09
Also published as: SE7901841L; EP0024409A1; DK462080A; ATA901680A; DE3034326C2; GB2065331A; NO803279L; SE420639B; NL8020072A; WO1980001826A1; CH646230A5; DK150278B

Description

Beschreibung:

Signalwandler für ein pneumatisches Steuersystem.

Die Erfindung betrifft einen Signalwandler für ein pneumatisches Steuersystem zum Umwandeln eines am Eingang des Wandlers zugeführten elektrischen Steuersignals in ein am Ausgang des Wandlers erscheinendes pneumatisches Signal, dessen"Wert dem Steuersignalwert proportional sein soll, bestehend aus einem zungenförmigen piezoelektrischen Element, an welches eine vom Steuersignal abhängige Spannung so angelegt wird, daß das piezoelektrische Element eine sich mit der Spannung ändernde seitliche Biegebewegung ausführt, ei*ne pneumatische Leitung mit einer Kammer, die über eine Drossel mit Druckluft versorgt wird, steht mit einer Düse in Verbindung, die sich in der Nähe der einen Seite des piezoelektrischen Elementes befindet, so daß der Luftdruck in der Kammer mit dem piezoelektrischen Element als Funktion der Spannung geregelt wird, und eine von der Kammer abgehende Ausgangsleitung, die den geregelten Luftdruck als pneumatisches Signal zum Steuersystem weiterleitet.

In der schwedischen Offenlegungsschrift 322 989 (mit Priorität aus der USA-Anmeldung 588 057) ist ein soleher Signalwandler ausführlicher beschrieben, welcher aus einer Kammer mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung besteht. Eine Druckmittelquelle, mit der in der Kammer ein Druck erhalten wird, ist mit der Einlaßöffnung verbunden. In der Nähe einer dieser öffnungen befindet sich eine elektrisch betätigte piezoelektrische Zunge. Ja nach der Größe und der Polarität

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des Steuersignals kann man die Zunge zur Öffnung hin und von ihr fortbewegen, um hierdurch den Druck in der Kammer zu beeinflussen. Ein dem Steuersignal zugeordneter Druckmittelwert wird von diesem Druck abgeleitet. Gemäß der Offenlegurigsschrift wird an der Zunge mit einem Rückkopplungskreis eine äußere Kraft erzeugt. Das Kraftniveau ist dem Druckniveau der Kammer zugeordnet und soll entgegengesetzt zu der vom Steuersignal verursachten Biegung der Zunge wirken. Der Zweck liegt in diesem Falle darin, die Biegung der Zunge so zu beschränken, daß die vom Steuersignal erzeugte Biegekraft gegen den Strömungsmitteldruck ausgeglichen wird. Die Anordnung arbeitet daher nach dem Kraftausgleichsprinzip, d.h. der Strömungsmitteldruck ist als Funktion des elektrischen Steuersignals abhängig von der piezoelektrischen Biegekraft. Demzufolge beeinflussen Faktoren, wie Temperaturabhängigkeit, Nichtlinearität und Hysterese der piezoelektrischen Zunge, wie auch die Langzeitinstabilität der Biegekräfte als Funktion des elektrischen Steuersignals, die Genauigkeit der Umwandlung eines elektrischen Steuersignals in einen Strömungsmittel-Druckwert. Daraus folgt, daß Schwankungen des Speisedruckes aus der Druckmittelquelle nicht vollständig kompensiert werden, sondern daß der Kompensationsvorgang durch die vorerwähnten Faktoren beeinflußt wird.

Die von den piezoelektrischen Kristallen der Zunge herrührende Temperaturabhängigkeit und die Schwierigkeiten bei der Herstellung einer guten Bindung zwischen den Kristallen führt zu einem Fehler in der Größenordnung von 0,05 bis 0,5# d^e °C. Hystereseerscheinungen, d.h. daß die Zunge für ein und denselben Steuersignalwert unterschiedliche Biegungen

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ausführt, je nachdem dieser Wert eine Vergrößerung oder Verminderung des Steuersignalwertes mit sich bringt, können bis etwa 20 % ausmachen und es kann bis zu 20 Stunden dauern, bis die Zunge für einen speziellen Steuersignalwert eine gleichförmige, stabile Biegelage erreicht. Die Langzeitstabilität hängt ebenfalls von der mechanischen Zusammensetzung der Zunge ab. Fehler aufgrund einer unzureichenden Langzeitstabilität lassen sich schwer von durch Hysterese verursachten Fehlern trennen.

Vor allem die Verarbeitungsindustrie benötigt Anordnungen, die es möglich machen, Umwandlungen der vorerwähnten Art mit einer sehr hohen Genauigkeit durchzuführen; mit deft- bisher bekannt gewordenen Anordnungen war es jedoch nur möglich, den Einfluß der erwähnten Faktoren zu vermindern, so daß daher kein angemessen hoher Genauigkeitsgrad erreicht worden ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Signalwandlers der in der Einleitung beschriebenen Art, mit dem es möglich ist, ein elektrisches Steuersignal mit einem sehr hohen;Genauigkeitsgrad in einen entsprechenden pneumatischen Druckwert umzusetzen, ohne daß dabei die vorerwähnten Nachteile auftreten; dies erreicht man dadurch, daß der Signalwandler Merkmale aufweist, die in dem beigefügten Patentanspruch angegeben sind.

Die Erfindung wird nachfolgend nun ausführlicher unter Bezugnähme auf die beigefügte Zeichnung beschrie- <^:/ beh." ' '■"*'■ ^v' ^: ■'-■■ ^: ■■'■■■ ^: ■ ■■· i: ■' ■ ■ ;■ . ,· .·:■^: ■■

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In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise als Rechteck- ; diagramm dargestellte Ausführungsform eines ; erfindungsgemäßen Signalwandlers zum Umwandeln eines elektrischen Steuersignals

in einen entsprechenden pneumatischen Druckwert, d.h. eines sogenannten I/P-Wandlers,

Fig. 2 ein Rechteckdiagramm einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Signalwandlers. ■ . ...

In der Zeichnung.;ist eine mit einer Druckluftquelle 2 verbundene Leitung 1 an eine Düse .· 3 angeschlossen. Zwischen der Druckquelle 2 und der Düse 3 enthält die Anordnung eine Drossel 4 und einen Druckluftauslaß 5· Mit Hilfe der Druckquelle wird in einer Kammer 1a zwischen der Düse 3 und der Drossel 4 in der Leitung 1 ein pneumatischer Druck erzeugt. In der Nähe der Düse ist ein piezoelektrxsches Element 6 angeordnet; dieses spricht auf die Einwirkung elektrischer Signale an und ist an ihrem von der Düse abgelegenen Ende fest eingespannt. Die Seite des Elementes 6, die der Düse 3 am nächsten liegt, ist so ausgebildet, daß zwischen dem Element und der Düse, an der die Luft austreten kann, ein Spalt entsteht. Unter dem Einfluß der elektrischen Signale kann sich das Element 6 je nach Größe und Polarität des Signals zur Düse 3 hin und von ihr fort bewegen, so daß hierdurch der Spalt zwischen dem Element und der Düse vermindert oder vergrößert wird. ·'*· Die an der Düse austretende Luftströmung kann auf diese Weise beeinflußt werden und es wird damit auch der pneumatische Druck in der Kammer 1a und am Druckluftaus-

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laß 5 geregelt. Dieser Druck, den man als Steuerdruck für einen pneumatischen Verstärker oder eine Zylinder-Kolben-Anordnung verwenden kann, ist in der Zeichnung mit P bezeichnet. Wenn keine sonstigen Maßnahmen getroffen werden und man den Luftdruck auf diese Weise regelt, wird die Genauigkeit, wie in der Einleitung erläutert, negativ durch eine Anzahl von Faktoren beeinflußt.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist zur Überwachung des pneumatischen Druckes in der Leitung gemäß der Erfindung der Druckauslaß 5 mit einem Druckübertrager 7 verbunden. Der Druckübertrager 7 ist so ausgebildet, daß er ein elektrisches Signal T erzeugt, welches dem Steuerdruck entspricht. Das Signal T wird dem einen Signaleingang 8 eines !Comparators 9 zugeführt, dessen anderer Eingang 10 das nachfolgend mit I bezeichnete elektrische Steuersignal empfängt, das in einen pneumatischen-Druckwert umgewandelt werden soll. Der Komparator 9 ist so ausgelegt, daß er die Signale T und I vergleicht und ein deren Differenz entsprechendes Differenzsignal erzeugt. Dieses wird einem Integrator zugeführt, dessen Ausgangssignal eine Spannung ist, die auf das piezoelektrische Element 6 einwirkt. Der Integrator 11 ist vorzugsweise ein integrierender Verstärker, dessen Ausgangssignal dem Zeitintegral des dem Integrator zugeführten Differenzsignals entspricht. Dies heißt, daß selbst kleine Differenzsignale einer bestimmten Dauer zu Ausgangssignalen am Integrator 11 führen, die die gleiche Größenordnung haben- wie größere aber kürzere Differehzsignale.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung arbeitet als I/P-Wandler ¹Xn" einem "' geschlossenen Kreis wie folgt:

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Je nach Größe und Polarität der Differenzsignale bewegt sich das Element 6 in der vorbeschriebenen Weise entweder von der Düse 3 fort oder zu ihr hin, wodurch der Spalt zwischen dem Element und der Düse vergrößert

5 oder vermindert wird, so daß der pneumatische Druck in der Kammer 1a und damit auch der pneumatische Druckwert P und das Signal T geändert werden. Offensichtlich ist es möglich, die Steuerschaltung mit solchen Kenndaten zu versehen, daß der pneumatische Druckwert P sehr genau dem Signal I entspricht. Die Charakteristika des piezoelektrischen Elementes 6 oder Schwankungen des Speisedruckes aus der Druckquelle 2 beeinflussen die Genauigkeit des Wandlers nicht, da diese nur von der Genauigkeit des Druckübertragers 7 abhängt.

ς.

Der Komparator 9 und der Integrator 11 entsprechen in ihrer Funktion einem Proportional-Integral-Wandler, d.h. einem P/l-Wandler.Fig. 2 zeigt bei 12 einen solchen P/I-Vandler.Diese Figur zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen I/P-Wandlers mit einem Strömungsmittelverstärker, welcher mit dem Druckauslaß 5 verbunden ist. Der Verstärker 13 empfängt über eine Leitung 14 den Druck aus der Druckquelle 2 und hat die Aufgabe, eine verstärkte Luftströmung und/ oder einen vergrößerten Druckwert in der Auslaßleitung zu erzeugen, wenn die Luftströmung über die Drossel 4 unzureichend ist. Der Druckübertrager 7 ist mit dem Auslaß 15 des Verstärkers verbunden, der auch den Ausgang des I/P-Wandlers bildet, d.h. der dem Signal I entsprechende pneumatische Druck wird als. Arbeitsdruck am Auslaß 15 abgenommen. Der Arbeitsdruck kann beispielsweise der Lageeinstellung einer Zylinder-Kolben-Anordnung dienen, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

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Es ist offensichtlich, daß der erfindungsgemäße Signalwandler innerhalb des Rahmens der Erfindung vielfältig abgewandelt werden kann. Beispielsweise kann das piezoelektrische Element 6 so angeordnet werden, daß es sich unter dem Einfluß des Steuersignals nur in einer Richtung, d.h. entweder von der Düse 3 fort oder zur Düse 3 hin bewegt.

«5-

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Claims

-y-

O Patentanspruch t

Signalwandler für ein pneumatisches Steuersystem zum Umwandeln eines am Eingang des Wandlers zugeführten elektrischen Steuersignals (I) in ein am Ausgang des :

Wandlers erscheinendes pneumatisches Signal (P), dessen Wert dem Steuersighalwert proportional sein soll, bestehend aus einem zungenförmigen piezoelektrischen Element (6), an welches eine vom Steuersignal (I) abhängige S annung so angelegt wird, daß das Element (6) eine sich in Abhängigkeit von der Spannung ändernde seitliche Biegebewegung ausführt, eine pneu- ■ matische Leitung (1) mit einer Kammer (1a), die über eine Drossel (4) mit Druckluft versorgt wird, steht mit einer Düse (^) in Verbindung, die sich in der Nähe der einen Seite des piezoelektrischen Elementes (6) befindet, so daß der Luftdruck in der Kammer (1a) mit dem piezoelektrischen Element (6) als Funktion der Spannung geregelt wird, und eine von der Kammer (1a) abgehende Auslaßleitung (5) die den geregelten Luftdruck als pneumatisches Signal (P) zum Steuersystem weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Äuslaßleitung (5) ein · Druckübertrager (7) verbunden ist, der ein dem geregelten Druckluft entsprechendes elektrisches Signal (T) erzeugt und über einen Rückkopplungskreis mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist, daß der Eingang des Wandlers Schaltungsteile (9, 11; 12) enthält, die das elektrische Steuersignal (I) und das rückgekoppelte elektrische Signal empfangen, daß in einem Schaltungsteil (9) ein Differenzsignal durch Vergleich der beiden Signale erzeugt wird und daß in einem weiteren Schaltungsteil (11) das Differenzsignal integriert wird, um danach aus dem integrierten Differenzsignal die Spannung abzuleiten, mit der das

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piezoelektrische Element (6) beaufschlagt wird, so daß das pneumatische Signal (P) zum Steuersystem exakt dem elektrischen Steuersignal (I) folgt.

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