DE3117218A1

DE3117218A1 - Ventil mit linearer oeffnungssteuerung

Info

Publication number: DE3117218A1
Application number: DE19813117218
Authority: DE
Inventors: William R. Hampstead N.H. Clark; James H. Brockton Mass. Ewing
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-03-25
Also published as: GB2076507A; DE3117218C2; US4327894A; JPS6046255B2; CH654087A5; NL187927B; NL187927C; JPS5718431A; GB2076507B; NL8102045A

Description

Die Erfindung betrifft Ventilanordnungen, durch die die Beeinflussung eines Fluidflusses automatisch auf mechanischem Wege linearisiert werden kann und sie betrifft insbesondere servogesteuerte Ventilanordnungen, bei denen ein eine -Cosinusfunktion erfüllender Mechanismus mit unkomplizierter und wirtschaftlicher Auslegung ein im wesentlichen konstantes Ansprechen des Systems im gesamten Betriebsbereich erreicht.

Der vorgesehene offene Bereich eines Fluiddurchlasses, der durch ein Drosselklappenventil, ein Kugelventil oder auf andere Weise beeinflußt wird, bestimmt den Durchsatz oder die Größe des Durchflusses unter Standardbedingungen und es ist bekannt, daß die Beziehung zwischen den Winkelverstellungen des Ventilschaftes und dem darauf bezogenen Fluiddurchfluß bei solchen Ventilen nicht linear ist. In manchen Fällen kann die Formgebung der Ventilteile und/oder der Ventilsitze eine Öffnungsveränderung des Querschnitts annähernd linear zum Drehwinkel der Ventilteile erreichen, und diese lineare Beziehung ermöglicht es der zugehörigen elektrischen Steuerung, einen Servomotor zur Betätigung des Ventilteils mit im wesentlichen konstanter erwünschter Übergangsfunktion und Auflösung anzutreiben. Wenn solche Maßnahmen nicht ergriffen werden, kann sich das ausgelegte Durchflußsteuersystem als unstabil erweisen. Beispielsweise ergibt eine bestimmte Winkelverstellung bei dem sich gerade öffnenden Ventil eine bedeutend größere Auswirkung auf den Durchfluß als die gleichgroße Winkelverstellung bei fast vollständig geöffnetem Ventil. Wenn die elektrische Steuerung selbst solche Unterschiede ausgleichen soll, muß sie mit einer Verstärkung mit angemessener Veränderung ausgelegt, werden; alternativ kann mit einem Bauelement mit unterschiedlichem Untersetzungsverhältnis eine mechanische Annäherung eines solchen veränderbaren Verstärkungsfaktors versucht werden.

Erfindungsgemäß wird erkannt, daß die Querschnittsöffnung und der entsprechende Durchfluß durch ein Klappen- oder ähnliches Ventil sich wie eine Funktion (1 - cosö) der Winkelstellung θ des Ventilteils verhalten und ein ausgleichender Cosinus-Generatormechanismus wird gemäß der erfindungsgemäßen Lehre zwischen den Antrieb und die Ventilwelle eingesetzt/ um die Beziehungen zwischen den Verstell-Eingangssignalen und den sich ergebenden Durchflußänderungen zu linearisieren. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine elektrische Steuerung verwendet, die in Abhängigkeit von einem erfaßten Zustand (wie Durchfluß, Druck oder Temperatur) arbeitet und ein darauf bezogenes Steuersignal an einen Elektromotor angibt, der in Antriebsbeziehung zum Schaft eines den Durchfluß steuernden Klappenventils über einen Linearisierungsmechanismus steht, wodurch die Antriebsdrehung eine Nicht-Linearität zeigt, die die nicht-lineare Ventilverstellung ausgleicht. Ein für die erforderliche Übersetzung der Winkelbewegungen gut geeigneter Funktions-Generator-Mechanismus umfaßt eine in kämmendem Eingriff mit einem auf dem Ventilschaft befestigten Ritzel stehende verschiebbare Zahnstange, die über eine Nocke betätigt wird, um eine Gleitgröße zu erreichen, die in einer (1 - cosö)-Funktionsbeziehung mit den Winkelauschlägen der Abgabewelle des Antriebsmotors zwischen 0 und 90° steht. Ein Winkelarm, der durch die Motorwelle eine Vierteldrehung (90°) erfährt und eine Nockenrolle an seinem äußeren Ende trägt, die in einem quer zur Zahnstange liegenden Schlitz gefangen ist, ergibt bequemerweise die erwünschte Funktionsbeziehung.

Es ist dementsprechend ein Ziel der Erfindung, eine neuartige und verbesserte Durchfluß-Steuervorrichtung zu schaffen, bei der eine im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion und -auflösung mittels des Antriebs eines nicht-linearen Ventils über einen unkomplizierten Funktionsgenerator-Mechanjsmus

bewirkt wird, der einen Ausgleich der Nichtlinearität schafft.

Ein weiteres Ziel besteht darin, neuartige Betätigungsglieder für Klappen-und ähnliche Ventile zu schaffen, in denen eine Zahnstangen/Ritzel-Anordnung und eine zugehörige Nockenanordnung mit kostengünstigem Aufbau einen Cosinus-Generatormechanismus bilden, der die Steuerungseigenschaften vorteilhaft linearisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 zusammenwirkende Teile eines Systems zur

Entwicklung einer im wesentlichen konstanten Übertragungsfunktion bezüglich der Steuerung von Fluidströmung durch ein Klappenventil der erfindungsgemäßen Art, wobei Winkel und Parameter eingetragen sind, die zum Verständnis des Linearisierungseffekts beitragen,

Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung von

Bestandteilen eines linearisierten Ventilsteuersystems, bei dem das Ventil eine kompakte Anordnung eines Cosinus-Funktionsmechanismus und eines Antriebs-Schrittmotors trägt, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung

zwischen den Winkelstellungen des Antriebsmotors und dem Verhältnis des Ventildurchsatzes zu seiner Änderungsgröße, bezogen auf die Winkelstellung beim System nach Fig. 2.

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Fig. 1 zeigt eine Ausführung einer linearen Ventilsteuerung für Fluide mit einem Drehklappenventil mit einer Drehklappe 4, bei dem eine an einem Schlitten oder Gleitteil 6 angebrachte, mit einem Ritzel 7 in Kämmeingriff stehende Zahnstange vorgesehen ist. Das Ritzel 7 dreht über eine Verbindung 7a gleichlaufend den Ventilschaft 4a und damit das Klappenteil 4. In bekannter Weise ist eine elektrische Steuerung 8 vorgesehen/ die in Abhängigkeit von einem erfaßten Zustand, beispielsweise dem Druck, dem Durchfluß oder der Temperatur arbeitet, wobei diese Werte mit dem Durchfluß durch die mit einem Ventil versehene Leitung
9 verbunden sind. Die Steuerung 8 gibt zugehörige
elektrische Steuersignale an einen Servomotor 10 über
eine Eingabeverbindung 11 ab und es ist üblich, die
Motorabgabewelle 12 direkt mit der Ventilwelle 4a zu
verbinden, so daß die Drehstellung des Motors und die
Drehstellung der Ventilklappe 4 direkt miteinander verbunden sind, um so den Fluiddurchfluß 13 zu ändern. Der Durchsatz T eines Klappenventils, der im wesentlichen
direkt proportional dem freigegebenen Querschnitt entspricht, hängt jedoch nicht linear von der Winkelstellung Θ.. des Klappenteils 4 ab und, wenn auf diese Weise eine direkte Verbindung der Welle 4a mit der Servomotorwelle 12 hergestellt ist, wirkt sich diese Nichtlinearität auf die
angestrebte Steuerung aus, falls nicht die Verstärkung
und die Vorgabe der Steuerung für jeden Betriebszustand richtig eingestellt wird. Wenn beispielsweise die System-"Auflösung" betrachtet wird, ergibt sich durch die genannte Nichtlinearität eine große Durchflußänderung pro Schrittwinkel der Ventilklappenstellung bei fast geschlossener Ventilklappe, während sich nur eine relativ kleine Änderung des Durchflusses pro Schrittwinkel bei fast voll geöffneter Klappe ergibt.

In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 1, daß beobachtet werden kann, daß die projizierte Öffnung T eine (1 - cosG..)-.Funktion der Winkelstellung des Klappenteils 4 ist, gemäß der folgenden Entwicklung:

Es sei angenommen, daß B + T = 1, bzw. 1 -T=B, so ergibt sich B = cos Θ.. , und 1-T = cos θ , und. T = 1 - cos Θ...

Der gemäß Fig. 1 zwischen dem Motor 10 und dem Ventilschaft 4a eingesetzte Mechanismus beachtet diese Beziehung und gleicht auf mechanische Weise dieses Nichtlinearitätsproblem aus. Zunächst ist mit dem Motor verbunden ein mechanisches Gestänge, das eine ausgleichende Cosinus-Funktion einführt. Zu diesem Zweck ist ein Winkelarm 14 vorgesehen, der im Uhrzeigersinn mindestens eine Vierteldrehung von der dargestellten Lage aus, von der Motorabgabewelle 12 angetrieben, ausführen kann, und dieser läßt sein äußeres Ende einen effektiven geradelinigen Abstand, der

seinem Winkelarm-Radius entspricht^ in nicht-linearer Weise durchlaufen. An diesem äußeren Ende des Hebelarmes 14 ist ein Rädchen 14a angebracht, das in einem querliegenden Nockenschlitz 6a in dem Schiebeteil 6 gefangen ist, so daß eine Winkelbewegung des Hebelarmes in eine erwünschte, nichtlineare gerade Bewegung des Schiebeteils 6 übersetzt wird. Das Schiebeteil 6 wird an einem Führungsstab 15 gestützt und geleitet, so daß es die durch den Pfeil 16 bezeichneten Bewegungen■entsprechend der Drehung der Motorabgabewelle 12 ausführen kann, und diese Bewegungen werden wiederum in eine Drehung des Ritzels 7 und des damit verbundenen Ventilschaftes 4a durch eine an einer Kante des Schiebeteils 6 angebrachten Verzahnung 5 übertragen. Die gestrichelt eingezeichnete Stellung 17 des Schlitzes 6a bei einer Drehung der Motorwelle12 um 90 zeigt zusammen mit dem gestrichelt eingezeichneten Umriß 18 des Gleitteils 6 die Lage an, die bei größtem Regelausschlag des Motors 10 eingenommen wird. Eine Feder 19 hält die Verzahnungs- und

Nockenelemente miteinander in Eingriff und verhindert ein Spiel im Mechanismus. Die Winkelverstellung Θ. des Ritzels 7, die gleich der Winkelversteilung Q₁ des Ventilklappenteils 4 ist, steht nun in einer Cosinus-Funktionsbeziehung zur Winke!verstellung θ_ der Abgabewelle 12 des Servomotors 10 in folgender Weise:

Es sei angenommen, daß A + C = 1, dann ergibt sich A = 1 -C= cos9„, und damit 1 - cos©„ = C = Θ.. k.

Wird der Mechanismus so aufgebaut, daß k = 1/90°, so folgt (1 - cos©₂).90° = O₁.

Wenn dieser Wert für Θ.. in die vorher entwickelte "Durchsatz-" Gleichung T = 1 - cos©., eingesetzt wird, so ergibt sich

T=I-COs [(!-cos Θ₂).9Ο°],

und die Änderungsrate des Durchsatzes T, bezogen auf den Motorwellen-Drehwinkel Q₃ wird:

dT = sin [90°. (1-cos 9₂)].sin 82-ΟΘ2

Die entsprechenden Werte sind in der folgenden Wertetabelle festgehalten in Abhängigkeit von dem Motorwellen-Drehwinkel Q„, wobei die Werte in der Tabelle auf einen Durchfluß von 100% = 1 normalisiert sind:

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und man sieht, daß sich die erwünschte, im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion für die aufgetragene Kurve 20 im größten und kritischsten Teil des Betriebsbereichs ergibt.

In Fig. 2 ist eine praktische Auslegung des in Fig. 1 gezeigten Systems dargestellt. Der Schrittmotor 10' zur Ausführung des linearisierten Antriebs ist mit Reduzierungsteilen zusammengebaut und erhält seine Ansteuersignale von einer elektrischen Steuerung 8' über eine Impulsleitung 11*, so daß er genau bestimmte Winkelschritte zurücklegt. Unmittelbar unter dem Schrittmotor 10' befindet sich der Winkelarm oder Winkelhebel 14" mit seinem Eingriff im Gleitteil 6', jedoch ist hier die Zahnstange 5' unterhalb des Gleitteils, etwas von seinem Rand versetzt, angebracht und steht dort in Kämmeingriff mit dem Ritzel 7', das mit der Verstellwelle 4a¹ für das Ventilklappenteil 4¹ fluchtet.

Es können auch andere Durchflußsteuervorrichtungen, beispielsweise Stopfen- oder Kugelventile ähnliche nicht-lineare Eigenschaften aufweisen. In diesem Fall können sie in gleichartiger Weise in Bezug auf ihre Übertragungsfunktion und Auflösung linearisiert werden. Soweit unterschiedliche Steuereingriffe bei unterschiedlichen Ventilarten verlangt werden, oder wenn eine größere oder geringere Auflösung erwünscht ist, kann die Zahnstangen-Ritzelstufe durch Änderung des Untersetzungsverhältnisses entsprechend ausgelegt werden. Nicht gezeigte Mikroschalter können zur Unterbrechung der dem Motor zugeführten Steuersignale benutzt werden, um ein Verklemmen des Ventils in einer Richtung bzw. bei voller Öffnung ein Überschießen der Ventilbewegung (beim Klappenventil) zu verhindern. Es können auch statt der gezeigten Rollen-Nockenschlitzverbindung

zur Erzeugung des Cosinus-Funktionsgenerator-Mechanismus gleichwertige andere, aus Hebelarm und Eingriffsteil bestehende Vorrichtungen benutzt werden, um die Cosinusfunktionsartigen Bewegungen hervorzurufen.

Claims

Patentansprüche

1« Lineargesteuerte Durchflußregelvorrichtung mit einer in ■ ' einem Durchflußweg winkelabhängig einstellbaren Ventileinrichtng, die den Durchfluß als Cosinusfunktion der Winkellage steuert, dadurch gekennzeichnet , daß eine Drehbewegungen erzeugende Antriebseinrichtung (10) zur Winkeleinstellung der Ventileinrichtung (4) vorgesehen ist und ein mechanischer Cosinus-Funktionsgeneratormechanismus (5, 6, 6a, 7, 14, 14a) zur Übersetzung der Drehbewegungen in Winkelstellungen vorgesehen ist, der die Cosinusfunktionsabhängigkeit der Ventileinrichtung (4) in Bezug auf seine Durchflußsteuerungen mindestens in einem Teil des Betriebsbereichs im wesentlichen ausgleicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet / daß der Mechanismus ein Gestänge mit einem in einem Radialabstand von der Achse (12) der Drehbewegungen angebrachten Abschnitt (14, 14a) umfaßt, wodurch ein Drehen des Abschnittes in Bezug auf eine gegebene Stellung eine im wesentlichen cosinusförmig verlaufende Vorschub- und Rückholbewegung des Abschnitts in Bezug zu der Stellung ergibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Mechanismus eine Einrichtung (5, 6) zum Wandeln der Vorschub- und Rückholbewegung des Abschnitts in die Winkelstellung der Ventileinrichtung (4) enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3/ dadurch gekennzeichnet , daß der Abschnitt des Gestänges als Teil eines die durch die Antriebseinrichtung (10) mitgeteilten Drehbewegungen ausführenden Winkelhebels (14) ausgebildet ist und daß die Wandlungseinrichtung ein mit dem Winkelhebel (14) über eine Verbindung (6a) verbundenes bewegliches Teil (6) zur Übertragung der relativen Winkelbewegung enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung einen Nockenschlitz (6a) in dem beweglichen Teil (6) enthält, der sich im wesentlichen parallel zu der Ebene der durch den Winkelhebel (14) überstrichenen Drehbewegung erstreckt, daß der Winkelhebel einen mit einer daran befestigten und in dem Nockenschlitz angeordneten Nockenrolle (14a) versehenen Arm (14) enthält, und daß das bewegliche Teil (16) in Richtung der Vorschub- und Rückholbewegung (16) in Übereinstimmung mit der cosinusbezogenen Funktion der Drehbewegungen gleitbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge eine mit dem beweglichen Teil (6) zusammen gleitbare Zahnstange (5) und ein durch die Zahnstange gedrehtes und die Ventileinrichtung drehendes Ritzel (7) umfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Nockenschübz im wesentlichen linear ist und in den beiden Endlagen des Vierteldrehungsweges des Nockenarmes quer zu diesem bzw. senkrecht zu diesem liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ventileinrichtung ein in einem Durchflußweg (9) angeordnetes, winkelverstellbares Ventilteil (4) umfaßt, das mit einer Verstellwelle (4a) verbunden ist und im wesentlichen eine Vierteldrehung von der Sperrausrichtung zur Maximal-Offenausrichtung zurücklegt und dadurch den Durchfluß durch den Durchlaß im wesentlichen in einer (1 - cos©)-Funktion des Verstellwinkels θ steuert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung einen Elektro-Servomotor (10) zur Erzeugung der Drehbewegungen in Abhängigkeit von daran anliegenden elektrischen Steuersignalen umfaßt und daß das Ventil ein Drehklappenventil ist.