DE3425684A1

DE3425684A1 - Elektropneumatisches uebertragungssystem

Info

Publication number: DE3425684A1
Application number: DE19843425684
Authority: DE
Inventors: Donald Chester Norton Mass. Simpson
Original assignee: Edison International Inc
Current assignee: Edison International Inc
Priority date: 1983-07-12
Filing date: 1984-07-12
Publication date: 1985-02-14
Also published as: AU3052384A; AU564128B2; IT1212102B; MX155572A; CA1213337A; US4527583A; GB8417760D0; GB2143974A; JPS6048516A; ES8506962A1; FR2549164A1; GB2143974B; IT8421691A0; FR2549164B1; ES534145A0; IN161898B

Description

^PATENTAN

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DIPL.-ING. DR. MANFRED RAU DIPL.-PHYS. DR. HERBERT SCHNECK ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

VNR 1O6984 Nürnberg, 11.o7.1984

S/St

Edison International, Inc., 17ol Golf Road Rolling Meadows

ILL 60008 / USA

Elektropneumatisches Übertragungssystem

Die Erfindung richtet sich auf elektropneumatische Übertrager und insbesondere ein elektropneumatisches Übertragungssystem zur Umwandlung eines ein Steuersignal darstellenden elektrischen Stromes in die mechanische Bewegung einer piezoelektrischen Anordnung, welche zur Drucksteuerung derart verwendet wird, daß der Ausgangsdruck des Systems exakt direkt oder umgekehrt proportional zu dem Eingangsstrom ist. Der Ausgangsdruck wird durch eine Piezowiderstandsbrücke kontrolliert und auftretende Differenzen in dem jeweiligen Ausgangsdruck und dem gewünschten Ausgangsdruck werden durch die Ausgänge der Piezowiderstandsbrücke korrigiert, wobei ein sehr exakt arbeitendes elektropneumatisches Übertragungssystem geschaffen wird. Das elektropneumatische Übertragungssystem umfaßt auch eine Spannungsschienenaufteilungsanordnung zur Minimierung der Betriebsspannungen und Ströme, welche verwendet werden, wobei trotzdem ein gewünschter Bereich von Ausgangsdrücken bezogen auf den Stromeingang aufrechterhalten wird. Darüber hinaus ist cie Piezowiderstandsbrücke mit einer besonderen Temperaturkompensationsschaltung versehen, um eine v/eitere

D-8500 NORNBERG 9) POSTFACH 91 0480 LANGE ZEILE 30 TELEFON 09 11/3 71 47 TELEX 06 /23965 POSTSCHECK NBG. 1843 52-857

. 7.

Spannungsverbesserung zu erzielen, ebenso wie mit einer Niederstromabschal t anordnung und einer Hochstromabschaltanordnung, um harte Einschalt- und Ausschaltübergänge des Systems am unteren und oberen Ende des Ausgangsdruckbereichs zu erzielen. Aufgrund dieser Merkmale ist das elektropneumatische Übertragungs system insbesondere geeignet zur Verwendung in explosionsgefährdeten Umgebungen, wo eine hohe innere Sicherheit und Präzision gefordert wird.

Pneumatische Systeme werden in chemischen Prozeßanlagen und Leistungsanlagen zur Steuerung verschiedener Vorgänge verwendet. Derartige pneumatische Systeme entsprechen elektrischen Systemen und es ist dementsprechend häufig wünschenswert, Umwandlungen von Drücken in Spannungen oder Ströme und wieder zurück von Spannungen und Strömen in Drücke vorzunehmen, so daß man ein kombiniertes pneumatisches und elektrisches System für Steuer- und Überwachungszwecke erhält.

Insoweit ist es häufig wünschenswert, die Druckänderungen in einem pneumatischen System von einem entfernt liegenden Kontrollraum aus vorzunehmen, ohne daß die Leitung für die Weiterführung der Druckniveaus bis zum Kontrollraum ausgedehnt wird. Es ist weitaus einfacher, Stromleitungen von einer Schalttafel im Schaltraum zum Ort des druckbetätigten pneumatischen Gliedes oder Ventileinstellers zu legen.

Dementsprechend wird ein elektropneumatisches Umwandlungssystem benötigt, um elektrische Signale in Drucksignale am Ort des Drucksteuerelementes umzuwandeln. Das elektrische Signal wird von einem zentralen Kontrollraum über Drahtleitungen herangeführt, welche ca. 3oo m oder langer sein können.

Das elektropneumatische Übertragungssystem mit einem Drucksteuerelement an einem entfernten Ort muß in Abhängigkeit von einer Änderung des elektrischen Signals von dem Kontrollraum aus

betätigbar sein, um eine entsprechende Druckänderung herbeizuführen.

Häufig finden sich im Bereich von elektropneumatischen Übertragungssystemen gefährliche explosive Umgebungen. Dementsprechend ist es wünschenswert, niedrige elektrische Spannungen und Ströme zu verwenden, um eine gewisse innere Sicherheit dadurch sicherzustellen, daß nur eine geringe Energie in den frei liegenden Schaltungsteilen auftritt, d.h. Drahtleitungen, welche einen Funken bilden könnten und dementsprechend eine Explosion auslösen würden. Dies wird üblicherweise durch die Verwendung von Spannungen von kaum über Io Volt an den Ausgangsanschlüssen aus dem elektropneumatischen Übertragungssystem und Ausgangs- oder Eingangsströmen mit nicht mehr als 2o mA erreicht.

Viele der gegenwärtig zur Verfügung stehenden elektropneumatischen Übertragungssysteme sind in der Verwendung aus zahlreichen Gründen beschränkt, obwohl sie eine hinreichende innere Sicherheit zum Betrieb in einer gefährlichen explosiven Umgebung aufweisen. Vor allem sind zahlreiche derartige Systeme nicht hinreichend genau und stabil und empfindlich gegenüber Temperaturänderungen und Vibrationen, welche eine Fluktuation des Ausgangsdrucks verursachen. Einige dieser Systeme weisen einen beschränkten Dynamikbereich aufgrund der Niederspannungsund Niederstromverhältnisse des Systems auf und erlangen lediglich eine niedrige Schleifenverstärkung. Andere bekannte elektropneumatische Übertragungssysteme sind nur schwer einstellbar. Darüber hinaus sind viele derartige elektropneumatisch^ Übertragungssysteme in verhältnismäßig großen Gehäusen untergebracht und die Hersteller dieser Systeme fordern komplizierte Installationstechniken und eine spezielle Ausrüstung hierfür. Dementsprechend sind solche vorbekannte Systeme verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung und Installation. Darüber hinaus wird ein

explosionssicheres Gehäuse für das System benötigt, wodurch die Systemkosten weiter erhöht werden.

In jüngerer Zeit wurde eine Signalumwandlungseinheit vorgeschlagen, welche zur Verwendung in einem pneumatischen Steuersystem dient, und welche exakter arbeitet als viele der früher vorgeschlagenen elektropneumatischen Übertragungssysteme. Eine derartige Einheit wird durch die PCT-Anmeldung WO 8o/ol826 von Saab-Scania, veröffentlicht am o4.o9.198o, beschrieben.

Diese Signalumwandlungseinheit erhält Steuersignale zur Steuerung des Ausgangsdrucks. Der Ausgangsdruck wird durch eine Druckquelle erzeugt, welche mit einer Düse und der Druckausgangsleitung verbunden ist. Ein bewegliches piezoelektrisches Element, eine Klappe oder Zunge, wird im Bereich des Düsenausgangs zur Steuerung des Druckluftstromes angeordnet, welchen man aus der Düse austreten läßt. Je näher das piezoelektrische Element an der Düse angeordnet ist, desto größer ist der Ausgangsdruck, und je weiter das piezoelektrische Element enfernt ist, desto niedriger ist der Ausgangsdruck, da mehr Luft aus der Düse austreten kann, wodurch der Ausgangsdruck reduziert wird. Der Ausgangsdruck wird einem Druckwandler zugeführt, welcher ein Rückkopplungssignal erzeugt, wobei dieses Signal beeinflußt oder verstärkt werden kann, so daß es in einen direkten Bezug zum Ausgangsdruck gesetzt werden kann. Dieses Rückkopplungssignal wird dann mit einem Eingangssteuersignal verglichen und falls zwischen beiden eine Differenz besteht, wird von dem Komparator ein Ausgangssignal an einen Integrator abgegeben, welcher die an dem piezoelektrischen Element anliegende Spannung derart steuert, daß das piezoelektrische Element von der Düsenöffnung weg oder auf diese zu bewegt wird. Auf diese Weise folgt der Ausgangsdruck dem Eingangssteuersignal und hängt direkt von diesem ab.

Wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, unterscheidet sich das erfindungsgemäße elektropneumatische Übertragungssystem von dem vorbekannten System mit einer Rückkopplungsschleife durch folgende Merkmale:

a) Für den Betrieb der elektrischen Schaltung des Systems

im Bereich einer niedrigen Referenz- und Vorspannung zwischen Spannungsschienen des Systems eine Spannungsschienenaufteilungsanordnung, welche niedrige Eingangsspannungen für jeden Schaltkreis aufweist;

b) einen Hochstromabschaltschaltkreis und einen Niederstromabschaltschaltkreis um harte Einschaltungen der Steuerdüse des Systems und harte Ausschaltungen der Steuerdüse an den oberen und unteren Enden des Druckbereiches zu erzielen;

c) einen Druckübertrager mit Piezowiderständen in einer Wheatstone-Brücke und einer hochgenauen Nullstellungs- und Bereichstemperaturkorrekturschaltung;

d) eine Anzahl von offenen Schaltungskontakten, in welche "Springer" eingesetzt bzw. aus diesen entfernt werden können, um das elektropneumatische Übertragungssystem an verschiedene Betriebsweisen, wie z.B. Umkehr von Eingang und Ausgang, anpassen zu können;

e) eine nichtlineare Korrekturschaltung, welche mit dem Druckübertrager des Systems verbunden ist; und

f) eine Schaltung zur Herbeiführung einer galvanischen Trennung der spannungsempfindlichen Düsenklappe des Systems.

Die Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Übertragungssystem zur Verwendung in einem Steuersystem zur Steuerung

„; „". ,'V": -:>: I NACHGEREICHfI

3A256B4

des Ausgangsdrucks in einem pneumatischen System mit einer mit einer Druckgasquelle verbundenen Kammer und mit einer Düse, deren Auslaßöffnung mit der Kammer verbunden ist, wobei eine Auslaßleitung mit der Kammer ebenfalls verbunden ist, und wobei ein Druckübertrager mit der Auslaßleitung verbunden ist, um den Druck in derselben zu steuern, mit einem Komparator, mit Einrichtungen zur Zuführung eines elektrischen Signals an einen Eingang des Komparators, wobei dieses Signal abhängt von einem Eingangssteuersignal, mit Einrichtungen, die mit dem Übertrager verbunden sind und zur Heranführung eines elektrischen Signals, welches dem gemessenen Ausgangsdruck entspricht, an den anderen Eingang des Komparators dienen, eine spannungsempfindliche Düsenklappe, welche im Bereich der Düsenöffnung angeordnet ist und elektrisch mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist, wobei dieses elektropneumatische Übertragungssystem eine Ausgangsspannung, welches elektrisch mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist, wobei das elektromagnetische Übertragersystem einen Ausgangsdruck liefert, welcher direkt dem elektrischen Eingangssignal für das pneumatische System entspricht, und wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß die Signalerzeugungseinrichtung eine Spannungsregelschaltung

mit Einrichtungen zur Umwandlung eines hereinkommenden Stromsignals in eine regulierte Spannung V_R oberhalb einer Basisspannung V-, und mit einer niedrigen Bezugs- und Gegenspannung V_n umfaßt, wobei die elektrische Schaltung des elektropneumatischen Übertragungssystems so ausgelegt ist, daß sie oberhalb dieser niedrigen Referenz- und Gegenspannung V_ß arbeitet, so daß die Eingangsspannungserfordernisse, welche an das elektropneumatische Übertragungssystem gestellt werden, reduziert werden.

Erfindungsgemäß kann das elektropneumatische Übertragungssystem auch eine Vielzahl offener Schaltkontakte und von "Springern"

34256§Ü

umfassen, welche über diesen Kontakten eingesetzt werden können, um die Betriebsparameter des elektropneumatischen Übertragungssystems und die Betriebsweisen dieses Systems, wie z.B. Umkehr der Eingangs-Ausgangs-Betriebsweisen zu ändern.

Im Rahmen der Erfindung kann das elektropneumatische Übertragungs system eine Isolierschaltung umfassen, welche den Komparator mit der spannungsempfindlichen Klappe verbindet, um auf diese Weise eine galvanische Trennung der spannungsempfindlichen Klappe zu bewerkstelligen.

Erfindungsgemäß kann das elektropneumatische Übertragungssystem eine Hochstrom-Abschalt-Schaltung umfassen, welche zwischen die Signalerzeugungseinrichtungen und den Komparator eingeschaltet ist, um den Ausgang des Komparators in die Sättigung zu fahren, wenn das Stromeingangssignal einen vorbestimmten oberen Wertbereich erreicht.

Darüber hinaus kann in einem derartigen elektropneumatischen Übertragungssystem eine Niederstrom-Abschalt-Schaltung vorgesehen sein, welche zwischen der Signalerzeugungseinrichtung und dem Eingang des Komparators angeordnet ist, um den Komparator auf Null zu fahren, wenn das Eingangsstromsignal einen vorgegebenen niedrigen Wertbereich erreicht.

Darüber hinaus kann ein elektropneumatisches Übertragungssystem der in Rede stehenden Art eine Nichtlinearitäts-Korrektur-Schaltung umfassen, welche am Ausgang des Druckübertragers angeordnet ist, um die Nichtlinearität des Übertragerausgangssignals zu korrigieren.

Weiterhin kann das elektropneumatische Übertragungssystem eine Temperaturbereichskompensations-Schaltung aufweisen, welche mit dem Druckübertrager und mit dem Eingang des Kompa-

rators verbunden ist, um eine Temperaturbereichskompensation über einen Bereich von Eingangsstromwerten eine Nullpunktstemperaturkompensation bei einem Schwellwert des Eingangsstroms zu erzielen.

Letztlich ist erfindungsgemäß eine Temperaturkompensationsschaltung vorgesehen, welche als Temperaturbereichskompensation verwendet werden kann und welche eine Konstantstrom-Generatorschaltung umfaßt, welche mit einer Piezowiderstandsbrücke in einem Druckwandler verbunden ist, um einen.kontanten Strom durch einen Piezowiderstand der Brücke zum Null-Leiter zu

schicken. Diese Konstantstrom-Generatorschaltung kann durch eine Spannungsteilerschaltung realisiert werden, welche an den Ausgang eines Komparators gekoppelt ist, wobei ein Anschluß der Spannungsteilerschaltung mit einem Eckpunkt der Brücke an einem Verbindungspunkt zweier Piezowiderstände verbunden ist, wobei deren einander entgegengesetzte Enden mit V+ bzw. dem Null-Leiter verbunden sind, und wobei die anderen beiden Ecken der Brücke mit den Eingängen des Komparators verbunden sind.

Bei einer kommerziellen Realisierungsform des elektropneumatischen Übertragungssystems gemäß der Erfindung wird ein Eingangsstromsignal durch eine Nullungs-Schaltung und eine Strom-Spannungs-Wandler-Schaltung mit einer Bereichseinstell-Schaltung geleitet. Gleichzeitig wird der Eingangsstrom einer Spannungsregelschaltung zur Erzeugung einer positiven Spannungsschiene, einer Nullspannungsschiene (Null-Leiter oder Erde) und einer Gegenspannung zugeleitet, über welche die Schaltung betrieben wird.

Ein Druckübertrager mit Piezowiderständen ist mit der Ausgangsdruckleitung verbunden und weist einen elektrischen Ausgang auf, der mit einer Temperaturbereichskorrekturschaltung verbunden

ist. Der Ausgang der Ternperaturbereichskorrekturschaltung und der Ausgang der Strom-Spannungs-Wandler-Schaltung sind beide mit den Eingängen eines !Comparators mit hoher Verstärkung verbunden. Der Ausgang des Komparators mit hoher Verstärkung ist mit einer Spannungszerhackerschaltung verbunden, welche einen freischwingenden astabilen Multivibrator und vier spannungszerhackende Transistoren umfaßt. Der Ausgang der Spannungszerhackerschaltung ist mit einem Transformator verbunden und der Ausgang des Transformators wird gleichgerichtet und dieses Signal einer spannungsempfindlichen Düsenklappe zugeführt, welche eine piezokeramische Sandwich-Anordnung ist, welche häufig als piezokeramische Biegeeinheit bzw. im englischen Sprachgebrauch als "bender" bezeichnet wird. Eine Linearitätskorrekturschaltung ist zwischen dem Ausgang der Temperaturbereichskorrekturschaltung und dem Null-Leiter angeordnet. Eine Niederstromabschaltschaltung weist Eingänge auf, an welchen die Spannungsregelschaltung und ein Ausgang anliegen, welcher mit einem elektrischen Schalter verbunden ist, der zwischen dem Ausgang der Temperaturbereichskorrekturschaltung und dem Null-Leiter angeordnet ist.

Eine Hochstromabschaltschaltung ist mit ihren Eingängen mit den Ausgängen der Spannungsregelschaltung und über einen Ausgang mit dem elektrischen Schalter über einen Widerstand in der Verstärkungsschaltung für den Komparator mit hoher Verstärkung verbunden. Die elektrischen Verbindung zwischen dem Druckübertrager und der Temperaturbereichskorrekturschaltung sind mit einigen offenen Schaltkontakten zur Aufnahme von "Springern" verbunden.Dementsprechend ist der Ausgang der Übertragerfilterschaltung mit dem piezokeramischen Biegeelement verbunden, wobei offene Schaltkontakte zur Aufnahme von "Springern" vorgesehen sind. Weiterhin weist die Niederstromabschaltschaltung und die Hochstromabschaltschaltung jeweils eine Mehrzahl offener Kontakte zur Aufnahme von "Springern" auf. Diese "Springer" ermöglichen es, daß die Betriebsparameter der Schaltung modi-

fiziert und/oder umgekehrt werden können.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Dabei zeigen

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer bekannten Wheatstone-Brückenanordnung von vier Piezowiderständen in einem Festkörperdruckwandler;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild der in Fig. 1 dargestellten Brücke, wobei Gleichstrom einem der Piezowiderstände der Brücke zugeführt wird, um eine erfindungsgemäße Temperaturkompensation zu realisieren;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer kommerziellen Realisierung der in Fig. 2 dargestellten Schaltung umfassend eine Wheatstone-Brücke, einen Verstärker mit hoher Verstärkung und eine Konstantstromerzeugungsschaltung;

Fig. 4 die grafische Darstellung der Ausgangsspannung e_n des Verstärkers relativ zur Spannungsdifferenz V1-V2 der in Fig. 3 dargestellten Brücke;

Fig. 5 die grafische Darstellung der Spannungsdifferenz V1-V2 in Abhängigkeit von den Druckänderungen;

Fig. 6 die perspektivische Ansicht einer kommerziellen Ausführungsform des Druckübertragungssystems gemäß der Erfindung mit einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 und einem Gehäuse für das System ebenso wie einer Schalttafel mit einer Nulleinstellschraube, einer Bereichseinstellschraube, Signaleingangsanschlüssen und Testanschlüssen;

- yc-

Fig. 7 und 8 zusammen ein schematisches Schaltbild des elektropneumatischen Übertragungssystems gemäß der Erfindung;

Fig. 9 ein Blockschaltbild von zwei Übertragersystemen gemäß der Erfindung, welche in Reihe geschaltet sind und mit bis zu Io bis 12 Volt betrieben werden, wobei das erste System zwischen 4 und 12 mA und 3 bis 15 psi Ausgangsdruck und das zweite System von ungefähr 12 bis 2o mA und 3 bis 15 psi Ausgangsdruck arbeitet;

Fig.Io die grafische Darstellung des Stroms in Abhängigkeit vom Druck in dem ersten, in Fig. 9 dargestellten elektropneumatischen Übertragungssystem und

Fig.11 die grafische Darstellung des Stroms in Abhängigkeit vom Druck in dem zweiten elektropneumatischen Übertragungssystem gemäß Fig. 9.

In Fig. 1 ist eine Wheatstone-Brücke Io dargestellt, welche vier Piezowiderstände Ra, Rb, Rc und Rd umfaßt. Die Brücke Io wird üblicherweise in einem Festkörper-Drucksensor verwendet, wie er von der Firma Ametek Controls, Feasterville, hergestellt wird. Die Pfeile an den Bezugszeichen Ra und Rd zeigen die Widerstandsänderung (nach oben oder unten) jedes dieser Widerstände Ra minus Rd an, wenn an dem Drucksensor Gasdruck anliegt.

Wie dargestellt wird eine positive Spannung V+ an der oberen Ecke der Brücke Io angelegt und die untere Ecke der Brücke Io ist mit Erde oder Masse V-, verbunden. Eine erste Spannung Vl wird an der linken Ecke der Brücke Io und eine zweite Spannung V2 an der rechten Ecke der Brücke Io erzeugt.

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Wenn ein Gasdruck an dem Sensor anliegt, nimmt -der Widerstand der Widerstände Ra und Rd ab, während der Widerstand der Widerstände Rb und Rc zunimmt, wodurch ein Zuwachs in der Spannungsdifferenz zwischen Vl und V2 in positiver Richtung entsteht, wenn V2 von Vl abgezogen wird.

Die Spannungsdifferenz Vl minus V2 wird wie folgt berechnet: (Vl - V2) = Ca^J₊ Cc [)

[_Rc) 1 1

wobei Ca = ₁ und Cc =

Ra Rb Rc Rd

Dabei entstehen Temperaturfehler, da die Widerstände ihren Widerstand mit der Temperatur T ändern. Z.B. erhöht sich der Widerstand der Widerstände Ra minus Rd um 4 bis 8% bei einer Temperaturänderung von 25⁰C auf 75⁰C. Darüber hinaus ändern sich die Widerstände mit Änderungen des Druckes P, der an den Sensoren anliegt. Auf diese Weise sind die Widerstände eine Funktion von T, P und Kombinationen von T und P. Wenn einem der Widerstände, z.B. Rb, ein Gleichstrom zugeführt wird, erhöht sich der Spannungsabfall über diesem Widerstand um 4 bis 8% des Stromwertes bei einer Temperaturänderung von 25⁰C auf 75⁰C.

Eine derartige Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei ein Rückkopplungskonstantstromgenerator 12 einen Strom I„ durch einen Widerstand R„. über Rb zur Erde V führt.

fb c

Dieses Anwachsen im Spannungsabfall über Rb wird verwendet, um den thermischen Fehler zwischen Vl und V2 zu reduzieren. Insoweit wirkt der Widerstand Rb als Thermometer in der in Fig. 2 dargestellten Schaltung, wobei dessen "Meßbereich"

-A-

: j NACHGEREICHfJ

exakt der Fehlerfunktion entspricht, welche korrigiert werden soll. Dies wird wie folgt nachgewiesen:

Vl = Ca ( Ra + I_fb

/X± \ V₊

Vl - V2 - Ca ( Ra + I_fb j ₊ Cc |±

Da I~ keine Funktion von Ra minus Rd ist, beeinflussen Änderungen dieses Wertes Vl minus V2 unabhängig von Ra minus Rd.

Eine kommerzielle Realisierung einer Schaltung zur Zuführung von Konstantstrom durch Rb ist in Fig. 3 dargestellt und wird als Ganzes mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet. Diese Schaltung 14 umfaßt einen Verstärker 16 mit hoher Verstärkung mit einem invertierenden Eingang 18, welcher über einen Widerstand 2o mit V2 verbunden ist, und mit einem Eingang 22, welcher über einen Widerstand 24 mit Vl verbunden ist. Eine Gegenspannung (Vbias) wird ebenfalls über den Widerstand 26 dem Eingang 22 zugeführt.

Eine Hochverstärkungs-Rückkopplungsschleife umfassend einen Widerstand 28 wird von einer Spannungsteilerschaltung 3o umfassend die Widerstände 31 und 32 abgekoppelt, welche zwischen e des Verstärkers 16 und V liegen, wobei der Widerstand 28 mit dem Eingang 18 verbunden ist.

Der Stromgenerator 12 wird durch eine Spannungsteilerschaltung 34 gebildet, welche Widerstände R₁ und R_, die zwischen

e_n und der veränderbaren Spannung V_D liegen, umfaßt. Der Widero ti

stand R~ ist zwischen eine Verbindung 36 zwischen den Widerständen R. und Rp und Rb geschaltet, wobei eine Rückkopplungsspannung e_. entsteht.

Wie dargestellt, werden V und V- den Eingängen 22 und 21 des Verstärkers 18 zugeführt. Ein kleiner Teil der Ausgangs-

it·· --

spannung e aus der Verbindung 36 wird der Widerstandsbrücke Io des Drucksensors über einen Widerstand R~ in einem positiven Rückkopplungssensor zugeführt, um Strom an Rb zu liefern. Dies führt dazu, daß bei einem Temperaturanstieg der Spannungsabfall über Rb zunimmt und der Eingangswert am Verstärker 16 ebenfalls zunimmt. Hierdurch wird ein negativer Temperaturbereichskoeffizient des Sensors bei Temperaturänderungen für Eingangsstromwerte von 4 bis 2o mA kompensiert. Der Betrag der Kompensation wird bestimmt durch den Strom, welcher über R„ zurückgeführt wird. Der Spannungsteiler Rl und R2 kann so gewählt werden, daß I_f. lediglich bereichsabhängig ist oder abhängig von Kombinationen von Nullpunkt und Bereich. Dies wird wie folgt demonstriert:

^efb = [ ^Ra

Ra^J

Rf

Rb"

wenn I„, (lediglich bereichsabhängig) solle.«. = Vl, wenn e = Nullausgangssignal. Dementsprechend

Vl = C

Ό (ο)

Ra^J

Vl Rf

V+

für I™ (null- und bereichsabhängig) gilt:

Φ Vl = C

^eo (o) Ra¹

V+ Rb^J

Auf diese Weise kompensiert I~ sowohl Nullpunkts- als auch Bereichstemperaturfehler.

Durch die positive Rückkopplung wird auch eine leichte Nichtlinearität bei dem Verstärker 16 mit hoher Verstärkung herbeigeführt. Diese Nichtlinearität kann durch verschiedene Kombinationen von Rf, R₁ und R_ ausgeglichen werden. Die Nichtlinearität weist eine solche Richtung auf, daß die Verstärkung erhöht wird, wenn sich der Bereich erhöht, wie in den grafischen Darstellungen in Fig. 4 und 5 in übertriebenem Maßstab dargestellt ist. Anders gesagt ist die Kurve 38 von e in Abhängigkeit von Vl minus V2 in die entgegengesetzte Richtung gekrümmt wie die Nichtlineritätskurve der Kurve 4o von Vl minus V2 in Abhängigkeit von dem Druck P bei einem typischen Drucksensor. Dementsprechend kann durch die positive Rückkopplungstechnik bei richtiger Einstellung eine Kompensation sowohl großer thermischer Fehler und kleiner Nichtlinearitätsfehler bei Drucksensoren mit PiezowiderstandsbrUcke erreicht werden.

Dies führt dazu, daß bei Verwendung des Widerstandes Rb des Drucksensors als Thermometer und durch die Verwendung einer positiven Rückkopplung zur Zuführung eines Konstantstroms zum Widerstand Rb zur Korrektur thermischer Fehler und bei anschließender Einstellung der Werte von R₁ und R_ das positive Rückkopplungssignal lediglich abhängig ist vom Bereich oder einer Kombination der Nullpunkteinstellung (z.B. 4 mA) und der Bereichseinstellung (z.B. 4 bis 2o mA), um so sowohl Nullpunkts- als auch Bereichsfehler zu korrigieren.

Darüber hinaus wird das positive Rückkopplungssignal verwendet, um eine kleine Nichtlinearität in die Schaltung 14 in eine solche Richtung zu bringen, daß die geringe Nichtlinearität der Piezowiderstände Ra bis Rd des Drucksensors korrigiert wird.

Als Beispiel für die Arbeitsweise der Schaltung 14 soll angenommen werden, daß in einem Druckbereich von 3 bis 15 psi e sich von +o,5V auf +3,5V ändert. R₁ soll loo KXlund R₂ soll 127

betragen. V+ beträgt 4,725 V. Dann gilt:

e_fb (für e_Q = o.5v) = 2.361ν

Ifb (für e_Q = o.5v) = 2on

e„ (für e = 3.ov) = 3.76ov

Ifb (für e_o = 3.OV) =14

e~ = 2o nA auf 14 nA bei P = 3 auf 15 psi, wobei e = o,5 auf 3,ο V.

Angenommen Rb steigt von 4ooo Ohm bei 25⁰C auf 424o Ohm bei 75⁰C (6% Anstieg mit der Temperatur).

Bei e = o,5V und I_f, = 2o nA wächst Vl von 8ομ V auf 85μ V aufgrund der Temperaturänderung. Dies bedeutet eine Nettoänderung von 5μ V. Wenn der maximale Bereichsausgang von Vl minus V2 4om bei Änderung von 3 auf 15 psi beträgt, dann ist a + .13% der Nullfehler

Bei e = 3,ο V und I ". = 14μ A wächst Vl von 56 mV auf mV aufgrund der Temperaturänderung. Dies ist eine Nettoänderung von 3 mV bei einem Bereich vom 4o mV oder +7,5% Bereichsänderung. Durch Veränderung der Werte von R₁ , R_p und R„. können noch weitere Kombinationen erzielt werden.

In Fig. 6 ist ein elektropneumatisches Übertragungssystem 42 gemäß der Erfindung dargestellt. Das System 42 umfaßt ein Gehäuse 44, welches explosionssicher konstruiert ist und sich nicht nur für eine Montage im Raum sondern auch für eine Montage in aggressiven äußeren Umgebungen eignet, wobei das Gehäuse starkem Pilzbefall, hoher Feuchtigkeit und hohem Salzgehalt ausgesetzt werden kann.

An dem Gehäuse 44 ist ein Befestigungsflansch 46 angebracht, wodurch auf einfache Weise das Übertragersystem 42 an einem gewünschten Ort befestigt werden kann. Darüber hinaus ist an einer Seite des Gehäuses 44 ein zylindrischer Kragen angebracht, welcher sich nach außen erstreckt, wobei eine transparente feste Hülle, welche nicht dargestellt ist, vorgesehen ist, welche über den Kragen 48 befestigt werden kann und in welcher eine Einstellschraube 5o für den Nullpunkt (Niederstromschwelle), eine Bereichseinstellschraube 52 (für den Strombereich), zwei Testeingänge 54 und 56 zum Testen der elektrischen Schaltung 58 (siehe Fig. 7 und 8) des Systems 42 und Signaleingänge 60 und 62 vorgesehen sind, an welche nicht dargestellte Leiter zur Zuführung des Eingangsstromes für das System 42 angeschlossen werden können.

Das Gehäuse 44 weist einen Eingangsdruckanschluß 64 und einen Anschluß 66 für den geregelten Ausgangsdruck auf.

In der Schaltung 58 des Systems 42, welche in Fig. 7 dargestellt ist, werden die Leitungsanschlüsse des Benutzers mit den Eingangsanschlüssen 6o und 62 verbunden, wobei 6o der positive Anschluß und 62 der negative Anschluß ist, wie dargestellt. Der Anschluß 6o ist mit einem sogenannten roten Anschluß 7o über eine Radiofrequenz - Interferrenzunterdrückungsfilterschaltung 68 verbunden. In ähnlicher Weise ist der negative Anschluß 62 über die Testanschlüsse 54 und 56 über eine Radiofrequenz-Unterdrückungsfilterschaltung 72 mit dem sogenannten blauen Anschluß 74 verbunden.

Die roten und blauen Anschlüsse 7o und 74 sind mit verschiedenen Schaltkreisen verbunden, welche die Schaltung 58 umfassen. Die einzelnen Schaltkreise können wie nachfolgend kurz beschrieben werden.

Γ «NA£HGEREICHT j

Zunächst wird der Ausgangsstrom, welcher in den roten Anschluß 7o gelangt, einer Spannungskonverterschaltung 76 zugeführt. Dieser Ausgangsstrom vom roten Anschluß 7o wird ebenfalls einer Nulleinstellungsschaltung 78 zugeführt, mit welcher die Einstellschraube 5o mechanisch verbunden ist.

Der Ausgang der Nullpunkteinstellschaltung 78 ist weiterhin mit einer Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 8o verbunden, welche eine Bereichseinstellschaltung 82 umfassend die Einstellschraube 52 aufweist, die mechanisch damit gekoppelt ist, wobei diese Schaltung einen Teil der Verstärkungsregelung für einen Verstärker 84 der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 8o darstellt. V/eiterhin ist ein Ausgang der Strom-Spannungs-Wandler schaltung 8o mit einem Eingang 86 des Verstärkers 88 mit hoher Verstärkung verbunden.

Der Ausgang der Verstärkerschaltung 88 mit hoher Verstärkung ist mit einer Spannungszerhackerschaltung 9o verbunden, welche einen instabilen Multivibrator 92 und eine Spannungszerhackertransistorschal tung 94 umfaßt. Der Ausgang der Spannungszerhackertransistorschaltung 94 ist mit einem Trenntransformator 96 verbunden, wobei der Ausgang einer Filterschaltung 98 zugeführt wird. Die Ausgangsschaltung von der Filterschaltung 98 liegt an sogenannten violetten und grauen Anschlüssen loo bzw. Io2 an. Diese Spannung wird einer piezokeramischen Biegeeinrichtung Io4 zugeführt. Eine derartige piezokeramische Biegeeinrichtung Io4 ist in an sich bekannter Weise im Bereich der Düsenöffnung an einem Auslaß einer Steuerkammer vorgesehen. Die Steuerkammer weist einen Einlaß über eine Drosselverjüngung auf, welcher mit einer unter Druck stehenden Gas- oder Luftquelle verbunden ist. Die Kammer weist auch einen Ausgang auf, welcher mit einer Druckausgangsleitung verbunden ist. Der Druck aus der Druckluftquelle ist mit dem Anschluß 64, welcher in Fig. 6 dargestellt ist, verbunden und die Ausgangsdruckleitung ist mit dem Anschluß 66 verbunden, welcher seiner-

seits wiederum mit verschiedenen Elementen in dem pneumatischen System verbunden ist, welche durch den Steuerdruck betätigt werden bzw. welchen der Steuerdruck zugeführt wird. Der Druck in der Ausgangsdruckleitung ist auch mit dem Eingang I06 eines Drucksensorübertragers I08 verbunden, welcher auch eine Lüftungsöffnung llo aufweist. Der Sensor wird rückwärts betrieben und die LUftungsseite wird gegenüber atmosphärischem Druck durch ein dielektrisches Gel abgeschirmt, wie z.B. DOW CORNING 3-6527. Wenngleich dies in Fig. 7 nicht dargestellt ist, ist festzustellen, daß der Drucksensorwandler Io8 vier Piezowiderstände aufweist, welche in Form einer Wheatstone-Brückenkonfiguration, wie in Fig. 3 dargestellt, angeordnet sind.

Der Ausgang vom Drucksensor Io8 wird der Temperaturbereichskompensationschaltung 114 zugeführt. Daraufhin wird der Ausgang der Temperaturbereichskompensationsschaltung mit dem anderen Eingang 116 der Verstärkerschaltung 88 mit hoher Verstärkung verbunden.

Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Schaltungen wird deutlich, daß ein Stromsignal an den Anschlüssen 6o und 62 in eine Spannung in der Wandlerschaltung 84 umgewandelt wird und dann in der Komparatorschaltung 88 mit hoher Verstärkung mit einer Spannung verglichen wird, welche dem tatsächlichen Ausgangsdruck am Auslaßanschluß 66 entspricht. Daraufhin ändert sich der Ausgang des Komparators 88 relativ zu den Eingangsspannungen an den Eingängen 86 und 116 bis diese ausgeglichen sind oder im wesentlichen gleich sind, was einen Hinweis dafür darstellt, daß das Biegeelement Io4 sich auf die Auslaßöffnung zu oder von dieser wegbewegt hat, um den Druck in der Kammer zu ändern, welche Luft- oder Gasdruck an die Ausgangsdruckleitungen liefert.

Wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, erzeugt die Spannungsregelschal tung 76 eine geregelte Spannung V_n

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an einer positiven Spannungsschiene 118 und ebenso eine Basisspannung V- an einer weiteren Spannungsschiene 12o. Darüber hinaus erzeugt die Spannungsregelschaltung 76 eine Gegenoder Referenzspannung V_n an einer Spannungsschiene 122. Diese Spannungen werden dann den verschiedenen Schaltelementen der elektrischen Schaltung 58 ebenso wie der Niederstromabschalt-Schaltung 124 und der Hochstromabschalt-Schaltung 126 zugeführt. Wie später noch im einzelnen beschrieben wird, ist die Niederstromabschalt-Schaltung 124 mit dem Ausgang der Bereichstemperaturkompensationsschaltung 114 verbunden, um den Ausgang derselben herunterzufahren, wenn der Eingangsstrom sich im Bereich der Nulleinstellung der Nulleinstellungsschaltung 78 oder etwas darüber oder darunter befindet. Dies wäre beispiels weise bei etwa 4 mA der Fall.

Die Niederstromabschalt-Schaltung 124 würde dann den Ausgang der Bereichstemperaturkompensationsschaltung 114 herunterfahren und dies würde zum Entstehen einer Spannung an der Piezokeramischen Biegeeinrichtung Io4 führen, welche abnimmt, so daß die Einrichtung sich in ihre am weitesten von der Düsenöffnung entfernte Position bewegt. Dies führt dann sofort dazu, daß der Druck am Ausgangsanschluß 66 auf den niedrigsten Ausgangsdruckwert, wie z.B. 3 psi, gesetzt wird.

Die Hochstromabschalt-Schaltung 126 ist mit der Verstärkungsrege !schal tung 128 des Komparators 88 mit hoher Verstärkung verbunden. Auf diese Weise wird erreicht, daß wenn der Eingangsstrom einen Maximalwert, wie z.B. 2o mA oder etwas darunter oder darüber aufweist, die Hochstromabschalt-Schaltung den Komparator 88 in die Sättigung fährt, so daß die Maximalspannung an den violetten und grauen Anschlüssen loo und Io2 anliegt, wodurch die piezokeramische Biegeeinrichtung Io4 in diejenige Position bewegt wird, welche der Düsenöffnung

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am nächsten liegt, so daß an dem Anschluß 66 der höchste Druck anliegt, wie z.B. ein Druck von 15 psi.

Zusätzlich zu der Bereichstemperaturkompensationsschaltung 114 1st eine Nullpunktstemperaturkompensationsschaltung (für den Minimalstrom) vorgesehen, welche mit der Bereichstemperaturkompensationsschaltung 114 und dem Drucksensor Io8 verbunden ist.

Die Schaltung 58 kann darüber hinaus eine Nichtlinearitätskompensationsschaltung 132 umfassen, welche mit dem Ausgang der Bereichstemperaturkompensationsschaltung 114 verbunden ist. Zurückkehrend zu den roten und blauen Eingangsanschlüssen 7o und 74 werden nun die Unterschaltungen der elektrischen Schaltung 58 des elektropneumatischen Übertragersystems 42, welche vorstehend kurz beschrieben wurden, im einzelnen beschrieben.

Der am Anschluß 7o ankommende Strom wird durch einen Gleichrichter 134 und von da zu einer Spannungsteilerschaltung 136 geleitet, welche einen Teil der Spannungsregelschaltung 76 bildet. Die Spannung an der Verbindung 138 der Spannungsteilerschaltung 136 wird an einen Eingang des Komparator-Verstärkers 14o gelegt, dessen anderer Eingang mit der Schiene 122 verbunden ist, welche auf Gegen- bzw. Referenzspannung liegt. Diese Spannung beträgt z.B. +o,2 Volt. Der Ausgang der Verstärker 14o ist mit einem Regeltransistor 142 verbunden, welcher zusammen mit einem Kondensator 144 eine geregelte Spannung von ca. +4,75 Volt an der Schiene 118 aufrechterhält.

Die Referenz- bzw. Gegenspannung V an der Schiene 122 ist mit einer Pufferverstärkerschaltung 146 verbunden, deren Ausgang am Eingang der Niederstromabschalt-Schaltung 124 bzw. der

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Hochstromabschalt-Schaltung 126 anliegt, wie nachfolgend im einzelnen noch beschrieben wird.

Die Nulleinstellungsschaltung 78 umfaßt eine Widerstandsreihenschaltung mit einem ersten Widerstand 148, einem Potentiometer 15o und einem Widerstand 152, welche zwischen der positiven Schiene 118 und der Basisschiene 12o, wie dargestellt, liegen. Die Einstellschraube 5o ist mechanisch mit dem Schwenkarm des Potentiometers 15o zur Einstellung von dessen Position verbunden. Der Schwenkarm ist weiterhin über die Widerstände 154 und 156 mit dem blauen Anschluß 74 verbunden, an welchem die unregulierte Spannung V_n anliegt. Eine Verbindung 157 zwischen den Widerständen 154 und 156 ist mit einem invertierenden Eingang 158 des Komparator-Verstärkers 84 verbunden. Der andere Eingang 16o des Verstärkers 84 ist über einen Widerstand 162 mit einer Schiene 164 verbunden, welche eine gepufferte Gegenspannung V„ aufweist, wobei die Schiene 164 mit dem Ausgang der Pufferverstärkungsschaltung 146 verbunden ist.

Mit dem Widerstand 162 ist eine Rückkopplungsschleife von einem Ausgang 166 des Verstärkers 84 verbunden, welche einen in Reihe geschalteten Widerstand 168, ein Potentiometer 17o und einen Widerstand 172 umfaßt. Diese drei Widerstände 168, 17o und 172 umfassen die Bereichseinstellschaltung, wobei der Schwenkarm des Potentiometers 17o mechanisch mit der Einstellschraube 72 und elektrisch über einen Widerstand 174 mit dem Eingang 158 des Verstärkers 84, wie dargestellt, verbunden ist.

Darüber hinaus ist eine Widerstandsschaltung 176 zwischen dem blauen Anschluß 74 der unregulierten Spannung und der Basisschiene 12o eingeschaltet. Diese Schaltung 176 umfaßt offene Schaltungsanschlüsse Pl und P2. Wenn die Anschlüsse Pl und P2, wie dargestellt, offen geschaltet sind, verbindet sich die elektrische Schaltung 58 im Betriebszustand für

34256S4

4 bis 2o inA. Wird über die Anschlüsse Pl und P2 ein "Springer" gesetzt, befindet sich die Schaltung 58 im Betriebszustand für Io bis 5o mA. Dann wird natürlich der Bereich für den 4 bis 2o mA-Betrieb durch die Position des Schwenkarms des Potentiometers 17o eingestellt, welcher ebenfalls einen Teil der Verstärkung des Komparator-Verstärkers 84 steuert.

Was die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 8o betrifft, ist deren Ausgang 166 über eine Kondensatorschaltung 178 mit dem Eingang 86 des Hochverstärkungs-Komparators 88 verbunden. Ein Steuersignal an einem Ausgang 18o des Komparators 88 wird über einen Widerstand 182 zu der Spannungszerhackerschaltung 94 mit vier Transistoren geleitet, welche Basiseingangsleitungen 184 und 186 aufweist, welche durch den Ausgang des Multivibrators 92 gesteuert werden, welcher eine Oszillatorschaltung 188 aufweist und welcher durch die geregelte Spannung +V_R, welche daran anliegt, getrieben wird. Eine Überspannungs-Zenerdioden-Schaltung 19o ist zwischen dem Ausgang des Widerstands 182 und der Basisschiene 12o vorgesehen. Der Ausgang der Spannungszerhackerschaltung 94 mit vier Transistoren ist mit der Primärwindung 192 des Transformators 96 verbunden. Die Sekundärwindung 194 des Transformators 96 weist drei bis zehnmal soviele Windungen auf wie die Primärwindung 192, um einen hinreichenden Spannungsaufbau am Transformator 96 zu ermöglichen.

Diese Ausgangsspannung wird über eine Diode 196 und einen Widerstand 198 und eine Filterschaltung 98 gefiltert, wobei die so gebildete Spannung an die Ausgänge loo und Io2 gelegt wird, um eine Spannung über der piezokeramisehen Biegeeinrichtung Io4 zu erhalten.

Die piezokeramisohe Biegeeinrichtung Io4 kann auch als spannungsempfindliche Düsenklappe betrachtet werden. Üblicherweise wird eine derartige Biegeeinrichtung Io4 gebildet von einem

dünnen Streifen leitfähigen Messings, welcher zwischen zwei Lagen keramischen Materials liegt, wobei die keramischen Platten außen mit einem elektrisch leitfähigen Material wie Silber oder Nickel überzogen sind. Eine nickelüberzogene Biegeeinrichtung kann mittels einer Klammer am Gehäuse 44 befestigt werden und kann auch in Kontakt mit der Düse gelangen. Piezokeramische Biegeeinrichtungen dieser Art können bezogen werden von Piezoelectric Products Inc., Metuchen, N.Y. Derartige Biegeeinrichtungen werden auch unter der Bezeichnung "BIMORPH" verkauft.

Die Arbeitsspannung bzw. regulierte Spannung V_n aus der Spannungsregelschaltung 76 wird üblicherweise bei +4,75 Volt eingestellt, so daß die Spannungszerhackerschaltung etwa 8 Volt Spitzenspannung an der Primärwindung 192 des Transformators 96 liefert. Das Windungsverhältnis ist üblicherweise so, daß der Ausgang der Filterspannung 98 zwischen Null und 3o Volt liegt. Der Transformator 96 ist beispielsweise ein Niederinduktivitätstransformator, wobei durch die Verwendung eines derartigen Transformators die Ausgangsspannung von der Schaltung 58 zu der Biegeeinrichtung (BIMORPH) um einen Faktor 2 vermindert wird, da durch das Zerhacken und Umwandeln der zerhackten Gleichspannung in eine Wechselspannung eine Verdoppelung der geregelten Betriebsspannung V_n erreicht wird, wobei die derart verdoppelte Spannung (8-Volt-Spitzenspannung) lediglich durch den Transformator 96 auf die Spannung erhöht zu werden braucht, welche für die Betätigung der piezokeramischen Biegeeinrichtung Io4 erforderlich ist. Dies kommt den inneren Sicherheitserfordernissen nach einem Transformator mit relativ niedriger Induktivität entgegen. Darüber hinaus dient der Transformator 96 zur Isolierung der Biegeeinrichtung Io4 von der elektrischen Schaltung 58. Dies ist in Fig. 8 dargestellt, wo die Sekundärwindung 194 des Transformatos 96 ebenso wie die Biegeeinrichtung Io4 mit dem Gehäuse verbunden sind. Dies führt zu einer galvanischen Isolation der Biegeeinrichtung Io4 von der elektrischen Schaltung 58 des Systems 52 und macht eine elektrische Isolation der Biegeeinrichtung Io4 vom Gehäuse 44 entbehrlich.

NACHGEREICHT

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Zwei offene Kontakte P4 und P5 zum Einsetzen von "Springern" sind in einer Leitung zu dem violetten Anschluß loo angeordnet und zwei weitere derartige Kontakte P6 und P7 sind in einer Leitung zu dem grauen Anschluß Io4 vorgesehen. Diese Kontakte sind für eine Umkehr des Betriebszustandes des Systems vorgesehen. Üblicherweise ist ein "Springer" über P6 und P7 zur Vervollständigung des Schaltkreises für den üblichen Betriebszustand vorgesehen. Jedoch für eine Umkehrung des Betriebszustandes, d.h. zur Erzielung eines niedrigen Druckes mit hohem Strom und eines hohen Druckes mit niedrigem Strom muß ein "Springer" über P4 und P6 eingesetzt werden und ein weiterer "Springer" über P5 und P7.

Wie vorstehend bereits kurz erläutert wurde, weist der Sensor Io8 vier Piezowiderstände auf, wie die Piezowiderstände Ra bis Rd, wobei das Ausgangssignal über diesen Piezowiderständen über die Pufferwiderstände 2oo und 2o2 an die Eingänge 2o4 und 2o6 eines Verstärkers 2o8 geleitet wird. Der Verstärker 2o8 arbeitet in der gleichen Weise wie der Verstärker 16 in Fig. 3 und weist Ausgänge 21o auf, welche mit einer Spannungsteilerschaltung 212 verbunden sind, welche aus den Widerständen Rl und R2 besteht. Eine Abzweigung von der Spannungsteilerschaltung 222 ist über den Widerstand R_f. und eine Temperaturanpassungswiderstandsschaltung 214 mit einer Ecke 216 der Piezowiderstandsbrücke in dem Sensor Io8 (Wheatstone-Brücke) verbunden. Diese Ecke 216 der Brücke ist ebenfalls über den Widerstand 2o2 mit dem Eingang 2o6 verbunden.

Falls dies wünschenswert erscheint, kann eine Nullpunktstemperaturkompensationsschaltung 13o vorgesehen sein (d.h. eine Minimalstromkorrekturschaltung), welche aus den Widerständen 218, 22o, der Potentiometerschaltung 222 und dem Widerstand 224 besteht, welche in Reihe zwischen der geregelten Spannung und der Basisschiene 12o geschaltet sind, wobei ein Abzweig

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von dem Potentiometer 222 durch den Widerstand 1224 zum Eingang 2o6 des Verstärkers 2o8 führt.

Die Spannungsteilerschaltung 212 ermöglicht die Erzeugung eines Konstantstroms, welcher erforderlich ist, um eine Bereichstemperaturkompensation vorzunehmen, indem dieser Konstantstrom durch den Widerstand R, der Brücke des Sensors Io8 geführt wird, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 3 im einzelnen beschrieben wurde. Dann können die Reihenwiderstandsschaltung und der Abzweig hiervon über den Widerstand 224, welcher mit dem Eingang 2o6 verbunden ist, eingestellt werden, indem der Widerstand der Widerstandsschaltung 222 so eingestellt wird, daß er eine Nullpunktstemperaturkompensation bewerkstelligt. Z.B. wird die Schaltung mit drei verschiedenen Werten betrieben und ein Satz von drei gleichzeitig erfüllten Gleichungen liegt vor für die Auswahl der Werte der Widerstände in der Bereichstemperaturkompensationsschaltung und die Widerstände in der NuIlpunktstemperaturkompensationsschaltung. Darüber hinaus sind weitere Widerstände in der Schaltung vorgesehen, nämlich die Widerstände 226 und 227 zwischen dem Sensor Io8 und der Basisspannungsschiene 12o und die Widerstände 228 und 229 zwischen den Ausgängen der Brücke in dem Sensor Io8 und der Schiene mit der geregelten Spannung 118. Hierdurch wird eine große Flexibilität in dem Drucksensor Io8 und in der Bereichstemperaturkompensationsschaltung 114 abhängig von den gewählten Widerstandswerten erreicht.

Weiter ist festzustellen, daß in der Eingangsleitung zu den Eingängen 2o4 des Verstärkers 2o8 offene Kontakte P8 und P9 vorgesehen sind und entsprechende offene Kontakte PIo und Pll in der anderen Eingangsleitung zum Eingang 2o6 des Verstärkers 2o8. Diese offenen Kontakte sind mit den Anschlüssen der Kontakte P4, P5, P6 und P7 korreliert. Dementsprechend

I NACHGLREiCHT [

sind für eine direkte Betriebsweise die Kontakte P8 und P9 durch einen "Springer" ebenso wie die Kontakte PIo und Pll miteinander verbunden. Für eine umgekehrte Betriebsweise ist P8 verbunden mit PIo, während P9 mit Pll verbunden bleibt. Gleichzeitig ist P4 mit P6 und P5 mit P7 verbunden. Auch in der Abzweigung von der Widerstandsschaltung 222 sind drei Kontakte P12, P13 und P14 vorgesehen. Zur Nullpunktstemperaturkorrektur, wenn Temperaturanstiege zu einem Nullpunktsanstieg für den Ausgang des Verstärkers 2o8 führen, wird der Kontakt P12 mit dem Kontakt P13 verbunden. Für eine Nullpunktstemperaturkorrektur, wo ein Anstieg der Temperatur zu einer NullpunktsabSenkung für den Ausgang des Verstärkers 2o8 führt, wird der Kontakt P13 mit dem Kontakt P14 verbunden.

Die temperaturkompensierte Ausgangsspannung am Ausgang 21o des Verstärkers 2o8 wird dann über eine Kondensatorschaltung 23o zu dem Eingang 116 der Komparatorschaltung 88 geführt. Auf diese Weise kann das Eingangssteuersignal am Eingang 86 des !Comparators 88 mit einem Steuersignal am Eingang 116 korreliert werden, welches abhängt von dem tatsächlichen Ausgangsdruck des elektropneumatischen Übertragungssystems 42.

Mit dieser Schaltung wird die Verstärkung des Verstärkers 2o8 geändert, wenn eine gewisse Schwellausgangsspannung an dem Ausgang 21o erfaßt wird, so daß der Widerstand 238 in den Schaltkreis der Widerstände 246 und 248 der Spannungsteilerschaltung 24o geschaltet werden kann.

Die Niederstromabschalt-Schaltung 124 umfaßt eine Spannungsteilerschaltung 25o, welche über V_R und V„ liegt, welche eine Steuerspannung an einen invertierenden Eingang 25o eines Komparator- Verstärkers 254 liefert. Ein weiterer Eingang 156 des Komparator-Verstärkers 254 ist mit der Gegenspannungsschiene

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164 verbunden, auf welcher die Gegenspannung V_x, anliegt. Diese Spannung entspricht der BAND-GAP-Spannung des Verstärkers Io4 und beträgt etwa +o,2 Volt.

Wenn die Spannung am Eingang 252 unter o,2 Volt gegenüber der am Eingang 256 abfällt, wird der Ausgang des Komparatorverstärkers 254 erhöht und dem GATE eines Feldeffekttransistors 258 zugeführt, welcher über den Widerständen 246 und 248 liegt. Wenn dementsprechend der Feldeffekttransistor 258 voll auf Durchgang gestellt wird aufgrund der Ausgangsspannung des Komparator-Verstärkers 254, werden die Widerstände 246 und 248 nahezu kurzgeschlossen und setzen den Ausgang des Verstärkers 2o8 am Ausgangsanschluß 21o auf Null, wodurch der Komparator- Verstärker 88 mit hoher Verstärkung auf Null gesetzt wird, so daß die Spannung aus der Zerhackerschaltung 94 mit vier Transistoren zur Primärseite 192 des Transformators 196 abgeschaltet wird. Hierdurch gelangt das piezoelektrische Biegeelement Io4 in seine weiteste Position entfernt von der Düsenöffnung bei Nullspannung, wodurch ein maximaler Druckluftdurchsatz durch die Düse erreicht und der Ausgangsdruck im Anschluß 66 auf 3 psi gesetzt wird bzw. auf eine entsprechend andere Niederdruckeinstellung.

Die Hochstromabschalt-Schaltung 126 weist eine Spannungsteilerschal tung 26o auf, die über der regulierten Spannung V_ und der unregulierten Spannung V„, d.h. über der Schiene 116 mit der regulierten Spannung und der Schiene 262 mit der unregulierten Spannung, liegt. Die Referenzspannung wird über die Schiene 164 zum invertierenden Eingang 264 eines Verstärkers 266 geleitet und ein Anschluß der Spannungsteilerschaltung 26o ist mit dem anderen Eingang 268 des Komparator-Verstärkers 266 verbunden. Wenn nun die Niederspannung am Eingang 268 unter +o,2 Volt gegenüber der am Eingang 264 als Folge eines Spannungsabfalls über der Widerstandsschaltung 176, welche zwischen

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der Basisschiene 12o und der Schiene 262 für die unregulierte Spannung geschaltet ist, abfällt, geht der Ausgang des Komparatorverstärkers 266 hoch und wird an das GATE des Feldeffekttransistors 27o gelegt, so daß dieser voll durchläßt. Dies führt zu einem Kurzschließen des Widerstandes 272, welcher einer Teil der Verstärkungssteuerschaltung 128 für den Verstärker 88 mit hoher Verstärkung bildet, wobei der Verstärker in die Sättigung gefahren wird, so daß eine maximale Ausgangsspannung über den Widerstand 182 der Spannungszerhackerschaltung 94 zugeführt wird. Dies führt dazu, daß an die Biegeeinrichtung Io4 eine Maximalspannung geliefert wird, welche hierdurch in diejenige Position gezwungen wird, welche der Düsenöffnung am nächsten liegt, wodurch der Ausgangsdruck auf den Maximaldruck, z.B., 2o psi, gebracht wird.

Zur Änderung des Bereichs der Niederstromabschaltung, wie z.B. auf einen Bereich zwischen 4 und 4,1 mA, sind zwei offene Kontakte P15 und P16 am Widerstand 274 der Spannungsteilerschaltung 25o vorgesehen. Ein "Springer" kann über die Kontakte P15 und P16 eingesetzt werden, um den Widerstand 274 kurzzuschließen und den Arbeitspunkt der Niederstromabschalt-Schaltung auf einen Wert leicht oberhalb von 4 mA zu ändern.

Entsprechend sind zwei offene Kontakte P17 und P18 an dem Widerstand 276 in der Spannungsteilerschaltung 26o der Hochstromabschalt-Schaltung 126 vorgesehen, so daß der Abschaltpunkt bzw. Arbeitspunkt der Schaltung 126 im Bereich von 2o mA eingestellt werden kann, indem ein "Springer" zwischen die Kontakte P17 und P18 eingesetzt wird oder herausgenommen wird.

Mit einem elektropneumatischen Übertragungssystem 42, dessen Schaltung 58 die vorstehend beschriebenen Merkmale aufweist, wird gegenüber vorbekannten elektropuneumatischen Übertragungs-

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system eine Vielzahl von Vorteilen erreicht. Insoweit wird ein minimaler Spannungsabfall über den Eingangsanschlüssen 6o und 62 von nicht mehr als 6 Volt erreicht. Mit den offenen Kontakten Pl und P2 kann mit Hilfe eines "Springers" ein Betrieb im Bereich 4 bis 2o mA bei 13 bis 15 psi oder im Bereich bis 5o mA bei 3 bis 15 psi bewerkstelligt werden.

Weiterhin kann die Niederstromabschalt-Schaltung 124 eine feste Abschaltung bei 3,9 mA bei ο bis 3 psi ermöglichen. Die Hochstromabschalt-Schaltung 126 sorgt dann für einen vollen Ausgangsdruck, wenn der Strom etwas unterhalb oder oberhalb 2o mA liegt.

Die piezokeramische Biegeeinrichtung Io4 ist so konstruiert, daß sie vibrationsunabhängig ist. Der Transformator 96 stellt eine galvanische Trennung zwischen dem Gehäuse 44 und den elektrischen Anschlüssen der elektrischen Schaltung 58 sicher.

Bei einem minimalen Spannungabfall von nicht mehr als 6 Volt an den Eingangsanschlüssen 6o bis 62 kann das Druckübertragungssystem 42 in Reihe mit einem anderen Übertragungssystem geschaltet werden, um eine Bereichsaufteilung des Betriebsstromes für zwei Druckausgangsleitungen zu erreichen. Eine derartige Schaltungsverbindung ist in Fig. 9 dargestellt, wo ein erstes elektropneumatisches Übertragersystem 242 so ausgelegt ist, daß es zwischen 4 und 12 mA zur Versorgung mit einem Ausgangsdruck von 3 bis 15 psi arbeitet. Die Spannung über den Eingangsanschlüssen des elektropneumatischen Übertragungssystems 342 ist nicht höher als 6 Volt. Dieses System 342 ist dann in Reihe mit einem zweiten elektropneumatischen Übertragungssystem 442 geschaltet, welches so ausgelegt ist, daß es zwischen 12 und 2o mA arbeitet und einen Ausgangsdruck von 3 bis 15 psi erzeugt.

NACHüfcKticm

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In Fig. Io ist der Verlauf des Ausgangsdruckes an dem elektropneumatischen Übertragersystem 242 in Abhängigkeit vom Eingangsstrom dargestellt und der Ausgangsdruck in Abhängigkeit vom Strom des zweiten elektropneumatischen Übertragungssystems 442 ist in Fig. 11 dargestellt.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß das elektropneumatische Übertragungssystem 42 und seine elektrische Schaltung 58 gemäß der Erfindung eine Zahl von Vorteilen bieten, welche vorstehend teils ausdrücklich angesprochen wurden und teils im Wesen der Erfindung liegen.

Claims

^NACHGEREfCHT [ RAÜ:£"SCHNECK PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. DR. MANFRED RAU DIPL.-PHYS. DR. HERBERT SCHNECK ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT VNR 1O6984 Nürnberg, 11.o7.1984 S/St Edison International, Inc., 17ol Golf Road Rolling Meadows ILL 60008 / USA Ansprüche

1.-^: Pneumatisches System mit einer Kammer (44), welche in Fluid-Verbindung mit einer Quelle unter Druck stehenden Gases steht, mit einer gegen eine Auslaßöffnung hin offenen Auslaßdüse, und mit einer Auslaßleitung (66), deren Innendruck eine Funktion des Fluidflußes durch die Auslaßöffnung ist, und mit einem Regelsystem gekennzeichnet durch:

einen Komparator (88) mit zwei Eingängen (86, 116) und einem Ausgang (I80);

Signalzuführungseinrichtungen (82), welche mit einem Eingang (86) des Komparators (88) zur Zuführung eines für den in der Auslaßleitung aufrechtzuerhaltenden druckcharakteristischen elektrischen Signals;

elektropneumatische Einrichtungen (I08) mit einer Brücke aus Piezowiderständen (Ra, Rb, Rc, Rd), deren Widerstand sich in Abhängigkeit von dem Druck innerhalb der Auslaßleitung (66) ändert, um ein elektrisches Signal (e ), welches charakteristisch für den tatsächlichen Druck in der Auslaßleitung ist, zu erzeugen;

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NACHGEREICHT [

spannungsabhängig arbeitende Dusenklappeneinrichtungen (lo4), welche im Bereich der Auslaßöffnung angeordnet sind und elektrisch mit dem Ausgang (18o) des Komparators (88) verbunden sind, um den Fluß des Fluids aus der Auslaßleitung zu regeln; einen Verstärker (16) mit einem invertierenden Eingang (18), einem nichtinvertierenden Eingang (22) und einem Ausgang (e ), der mit dem anderen Eingang (116) des Komparators (88) verbunden ist;

Konstantstromgeneratoreinrichtungen (12), welche zwischen eine Ecke (V ) der Piezowiderstandsbrücke und den Verstärkerausgang geschaltet sind, um konstanten Strom durch wenigstens einen der Piezowiderstände leiten zu können; eine geregelte Spannungsquelle (V+, Vc), deren Ausgang mit zwei Ecken der Piezowiderstandsbrücke verbunden ist, welche der einen Ecke (V ) anliegen, um der elektropneumatischen Einrichtung (Io8) geregelte Spannung zuzuführen; und eine Spannungsteilerschaltung (3o), welche mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, um ein Spannungssignal an eine Ecke (Vp) der Piezowiderstandsbrücke gegenüber der Ecke (V₁) zu liefern, wobei diese Ecke und die entgegengesetzte Ecke der Brücke mit den Eingängen (18, 22) des Verstärkers verbunden sind.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (88) mit der spannungsabhängig arbeitenden Düsenklappe (Io4) durch eine Isolationsschaltung (96) verbunden ist, welche eine galvanische Trennung der spannungsabhängig arbeitenden Klappe bewerkstelligt, wobei die Isolationsschaltung einen Transformator und eine Filterschaltung (196, 198) umfaßt, welche zwischen den Ausgang (18o) des Komparators (88) und die spannungsabhängig arbeitende Düsenklappe (lo4) eingeschaltet sind, wobei der Transformator Primär-Windungen (192) und Sekundär-Windungen (194) umfaßt.

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3. Steuersystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Spannungszerhackerschaltung (9o), welche zwischen dem Ausgang (18o) des Komparators (88) und dem Trenntransformator (192, 194) angeordnet ist, wobei die Spannungszerhackerschaltung (19o) einen freischwingenden, instabilen Multivibrator (92) umfaßt, der mit dem Ausgang des Komparators (88) verbunden ist, und eine Spannungszerhackerschaltung (94) mit vier Transistoren, welche mit dem Ausgang des Multivibrators verbunden ist, und deren einer Ausgang mit der Primärwindung (192) des Transformators verbunden ist.

4. Steuersystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (88) ein Spannungskomparator ist, wobei die Signalzuführeinrichtung einen Strom-Spannungs-Wandler (84) zur Umwandlung eines Stromsignals, welches dem in der Auslaßleitung aufrechtzuerhaltenden Druck entspricht, in ein Spannungssignal aufweist, welches an einen Eingang des Spannungskomparators geliefert wird, und wobei der Strom-Spannungs-Wandler eine Verstärkungseinstellschaltung (8o) umfaßt, welche ein einstellbares Potentiometer (168, 17o, 172) aufweist, welches die Betriebsbereichs- bzw. Strombereichs-Einstellung des Steuersystems ermöglicht.

5. Steuersystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Nullpunkteinstellschaltung (78), die mit dem Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers verbunden ist, und ein einstellbares Potentiometer (148, 15o, 152) zur Einstellung des Null- bzw. Schwellbetriebsstromes, um das Steuersystem in Betrieb zu setzen.

6. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Hochstromabschalteinrichtung (126), welche zwischen der Signalzuführeinrichtung (82) und dem Komparator (88) angeordnet ist, um den Ausgang des Komparators in die

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Sättigung zu fahren, wenn das Stromeingangssignal einen vorbestimmten oberen Wert erreicht.

7. Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (88) als Komparator mit hoher Verstärkung ausgelegt ist, welcher eine Verstärkungsschaltung aufweist, die mit dem Ausgang der Hochstromabschalteinrichtung gekoppelt ist, um die Verstärkung des Komparators mit hoher Verstärkung zu regeln.

8. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Niederstromabschalteinrichtung (124), welche zwischen der Signalzuführeinrichtung (Io8) und einem Eingang des Komparators (88) angeordnet ist, um den Eingang auf Null zu fahren, wenn das Eingangsstromsignal einen vorbestimmten unteren Wert erreicht, wobei der Ausgang des Komparators (88) Null wird, und wobei die Niederstromabschalteinrichtung einen Komparator (254) umfaßt, dessen einer Eingang (252) mit dem niederen Referenz- und Gegenspannungsausgang der geregelten Spannungsquelle verbunden ist, und wobei der andere Eingang mit der Verbindungsstelle einer Spannungsteilerschaltung (25o) verbunden ist, welche zwischen dem Ausgang der regulierten Spannungsquelle und einem Eingang mit unregulierter Spannung (V„) für das Steuersystem verbunden ist.

9. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Nichtlinearitätskorrekturschaltung, welche mit dem Ausgang des Verstärkers (16) verbunden ist, um die Nichtlinearität der elektropneumatischen Einrichtung zu korrigieren, und durch Verstärkungseinstelleinrichtungen (28), welche mit der Nichtlinearitätskorrekturschaltung verbunden sind, um die Verstärkung des Verstärkers einzustellen, wobei die Nichtlinearitätskorrekturschaltung in Betrieb gesetzt wird, wenn eine vorgewählte Ausgangsspannung des Verstärkers überschritten wird, wobei die Verstärkung des Verstärkers

reduziert wird, wenn die Schwellausgangsspannung überschritten wird.

Io. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängig arbeitende Düsenklappe (lo4) eine keramische Biegeeinrichtung ist, welche einen Betriebs spannungsbereich zwischen ο und 3o Volt aufweist.