DE3527069A1 - Elektropneumatischer schalter bzw. wandler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektropneumatisehen Schalter bzw. Wandler nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

In herkömmlichen elektropneumatischen Wandlern werden üblicherweise die elektrischen Signale in Drucksignale umgewandelt/ indem eine elektrisch gesteuerte Prallplatte eine Düse mehr oder weniger abdeckt. Bei einer aus der japanischen Patentveröffentlichung 59-25962 bekannten Vorrichtung wird ein piezoelektrisches Element als Prallplatte benutzt und durch Anlegen eines elektrischen Signales wird der Abstand zwischen Prallplatte und Düse und somit der Rückdruck der Düse verändert. Ferner ist es aus der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 58-130105 bekannt, anstelle des Abstandes zwischen Prallplatte und Düse die Oszillationsfrequenz der Prallplatte zu steuern, wobei das Verhältnis zwischen der Zeit vollständiger Schließung und Öffnung während eines Zyklus in Abhängigkeit von dem Eingangssignal gesteuert wird.

Beide Vorrichtungen wandeln jedoch das elektrische Signal in den entsprechenden Rückdruck einer Düse um, was die Erzielung einer ausreichenden Verstärkung nicht gestattet.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektropneumatischen Schalter bzw. Wandler anzugeben, der einfach aufgebaut ist, eine geringe Steuerleistung benötigt und bei hoher Verstärkung, selbst bei geringer Fließgeschwindigkeit des Mediums, einen stabilen und wirksamen Betrieb ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers sind den ünteransprüchen entnehmbar.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2 eine erste Modifikation der Vorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3 eine zweite Modifikation der Vorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 4 eine dritte Modifikation der Vorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 5 ein Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung zum Betrieb des elektropneumatischen Wandlers;

Figur 6 ein Schaltungsdiagramm des Eingangsschaltkreises 15 innerhalb von Figur 5;

Figur 7 ein Schaltungsdiagramm eines Referenzsignalgenerators 21 innerhalb von Figur 5; und

Figur 8 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der

Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Figur 5.

Gemäß Figur 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Schaltventils bzw. eines elektropneumatischen Wandlers gemäß der Erfindung dargestellt. Das Schaltventil 1 umfaßt eine abgedichtete Kammer 3 in einem Gehäuse 2. Düsen 4a und 5a sind an gegenüberliegenden Seiten der Kammer angeordnet und öffnen sich in die abgedichtete Kammer. Die Düsen sind am Ende von ersten und zweiten Fluiddurchgängen 4 und 5 angeordnet. Ein Durchgang 6 ist im oberen Teil der abgedichteten Kammer 3 angeordnet. In der vorliegenden Figur sind die mit S1, S2 und S3 bezeichneten Pfeile beispielsweise dem Fluideinlaß, dem Fluidauslaß und einer Öffnung in die Atmosphäre zugeordnet, die durch die Durchgänge 4, 5 und 6 vorgegeben sind.

Ferner ist gemäß Figur 1 ein plattenförmiges, bimorphes, piezoelektrisches Element 7 so angeordnet, daß sich ein Ende in dem Ventilgehäuse 2 abstützt und ein bewegliches Ende 7a die öffnung der Düsen 4a und 5a steuert. Eine

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isolierende Abdichtung 8 isoliert das bimorphe piezoelektrische Element 7 gegenüber dem Gehäuse 2, und über einen Eingangsanschluß 9 kann eine Treiberspannung an das piezoelektrische Element 7 angelegt werden, um dieses entsprechend auszusteuern.

Bei der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird die Düse 4a oder 4b bzw. der Durchgang 4 oder 5 geschlossen, während die jeweils gegenüberliegende Düse geöffnet bleibt, wenn das Ende 7a des piezoelektrischen Elementes durch Anlegen einer elektrischen Spannung in die gewünschte Richtung bewegt wird. Somit wird der Durchgang 4 bzw. 5 selektiv mit dem Ausgangsanschluß 6 verbunden, wodurch eine Umschaltung der Fließrichtung bzw. des Druckes ermöglicht wird.

Das bimorphe piezoelektrische Element 7 besteht aus einem Plattenpaar, das durch den Schichtaufbau von piezoelektrischem Material erhalten wird. Eine Elektrodenschicht wird zwischen der Außenfläche und dem Material der beiden Platten gebildet. Durch die Anlegung eines entsprechenden elektrischen Potentials an die Elektrodenschicht kann ein Ende des Elementes bewegt werden. Das piezoelektrische Element 7 kann aus einem einkristallinen Quarzmaterial, aus einer Balgenschürze aus Keramikmaterial, wie beispielsweise aus Barium-Titanat, Blei-Titansalz-Zirconsalz, Bleititanat usw. oder aus organischem piezoelektrischem Material, wie beispielsweise Polyvynylidene-Fluorid (PVDF) bestehen. Solche Materialien erzeugen bei Anlegung eines Druckes einen elektrischen Strom und diese können nicht nur als Sensoren, sondern auch als Stellglieder benutzt werden, da sie einen Druck ausüben, wenn ein elektrischer Strom zugeführt wird. Die Verwendung eines bimorphen piezoelektrischen Elementes 7 als Fluidschalter erlaubt die Erzielung hoher Schaltgeschwindigkeiten auf Grund der schnellen Ansprechcharakteristik bei nur einem sehr geringen Leistungsverbrauch.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung gestattet die Verbindung der beiden Durchgänge 4 bzw. 5 mit dem Durchgang 6 durch entsprechende Steuerung des beweglichen Endes 7a des piezoelektrischen Elementes 7. Dieser Aufbau gestattet eine einfache, genaue und schnelle Fluidumschaltung, wobei gleichzeitig der Leistungsverbrauch reduziert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als Schaltventil 1 besonders zweckmäßig, wenn die Fließgeschwindigkeit des Mediums verhältnismäßig klein ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gemäß Fig. 2 ist die erste Fluidstrecke 4 an die Düse 4a angeschlossen, die sich innerhalb der abgedichteten Kammer 3 in dem Ventilgehäuse 2 befindet. Diese Düse ist an die Fluidversorgung angeschlossen. Eine F.luidkammer 11 ist parallel zu der abgedichteten Kammer 3 innerhalb des Ventilgehäuses 2 angeordnet. Die abgedichtete Kammer 3 ist über die zweite Fluidstrecke 5 und die Düse 5a an die Kammer 11 angeschlossen. Nunmehr sind zwei bimorphe piezoelektrische Elemente 7A und 7B in den Kammern 3 und 11 angeordnet, um durch entsprechende Bewegung die Düsen 4a und 5a zu öffnen und zu schließen. Ein Dichtungsring 10 dient der Abdichtung zwischen beiden Gehäuseteilen. Die Luftkammer 11 ist über eine öffnung 12 an die Atmosphäre angeschlossen,und ein Versorgungsanschluß 13 dient der Zufuhr der Versorgungs-Druckluft zu der Fluidstrecke 4. An einem Ausgangsanschluß 14 kann Druckluft der abgedichteten Kammer 13 entnommen werden. O-Ringe 13a und 14a dienen der Abdichtung zwischen dem Ventilgehäuse 2 und darunter befindlichen festen Gehäuseabschnitten.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 sind ein Paar bimorphe piezoelektrische Elemente 7A und 7B in einer solchen Weise angeordnet, daß ihre beweglichen Enden 7a und 7b sich jeweils in entgegengesetzten Richtungen bewegen, so daß, wenn eine der Düsen 4a bzw. 4b geschlossen ist, die jeweils andere Düse geöffnet ist. Dies gestattet eine Ver-

änderung der Fließrichtung des Fluides. Die abgedichtete Kammer 3 arbeitet als Volumenkammer, um einen gleichförmigen Ausgangsdruck sicherzustellen.

Bei dem weiteren in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zentrum des bimorphen piezoelektrischen Elementes 7 an einem Ansatz innerhalb der abgedichteten Kammer 3 abgestützt, und die beweglichen Enden 7a und 7b stehen Düsen 4a und 5a an gegenüberliegenden Seiten entgegen, um die Steuerung der Richtung des Fluidflusses, wie in den zuvor beschriebenen Beispielen zu ermöglichen. Im vorliegenden Fall biegen sich die beweglichen Enden 7a und 7b des bimorphen piezoelektrischen Elementes 7 in der gleichen Richtung, wenn ein elektrischer Strom zugeführt wird. Es liegt daher auf der Hand, daß diese Biegebewegung dazu führt, daß eine der Düsen 4a bzw. 5a geschlossen wird, während die andere jeweils geöffnet wird.

Gemäß dem weiteren in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein Paar bimorpher piezoelektrischer Elemente 7A und 7B parallel zueinander angeordnet und decken darunter befindliche, in einer Ebene angeordnete Düsen 4a und 5a ab, so daß durch eine entgegengesetzte Bewegung der piezoelektrischen Elemente jeweils die eine Düse freigegeben und die andere geschlossen wird.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen werden in den Vorrichtungen jeweils bimorphe piezoelektrische Elemente benutzt, um die Düsen 4a und 5a zu steuern, d.h. zu öffnen oder zu schließen. Gleiche Ergebnisse lassen sich auch erzielen durch die Verwendung von elektrostriktiven Elementen.

Gemäß Fig. 5 ist in näheren Einzelheiten ein elektropneumatischer Umformer dargestellt, der von dem zuvor beschriebenen Schaltventil Gebrauch macht. Ein Eingangsschaltkreis 15 wandelt ein 20-Milliampere-Signal, das an die Eingangsklemmen 16 und 17 angelegt wird, in eine

Spannung um und dient zur gleichen Zeit als Spannungsversorgung-Schaltkreis für andere Schaltkreise des Wandlers. Fig. 6 zeigt den Eingangsschaltkreis 15 in näheren Einzelheiten. Dieser Eingangsschaltkreis 15 umfaßt einen Operationsverstärker 33, einen Transistor TR1, einen Widerstand R3 und eine Konstantspannungsversorgung E1. Ein Konstantspannungsschaltkreis 32 besteht aus einem Operationsverstärker 34, einem Transistor TR2, Widerständen RI und R2 und einer Konstantspannungsversorgung E2. über weitere Widerstände R4 bis R8 und einen Operationsverstärker 35 wird an einer Ausgangsklemme 36 das Ausgangssignal ausgegeben.

Ein Operationsverstärker 18 gemäß Fig. 5 gibt ein Spannungs-Abweichungssignal aus, das erhalten wird durch Vergleich des Eingangssignales Va vom Eingangsschaltkreis 15 mit einem Rückführungssignal Vb, das von einem Verstärker zugeführt wird. Das Abweichungssignal wird dem negativen Eingang eines Vergleichers 20 zugeführt. Ein Ausgangssignal eines Referenzerzeugungsschaltkreises 21, der eine stabile Sägezahn- bzw. Dreieckspannung erzeugt, wird dem positiven Eingang des Vergleichers 20 zugeführt. Auf diese Weise wird eine Pulsmodulationseinrichtung 22 gebildet.

Wie zuvor erwähnt, erzeugt der Referenzspannungsschaltkreis 21 eine stabile Dreieckspannung. Fig. 7 zeigt den entsprechenden Schaltkreis in näheren Einzelheiten. Ein Operationsverstärker 41 bildet mit einem Komparator 43 einen UND-Schaltkreis. Widerstände RO bis R4 dienen der Beschaltung dieser Schaltungskomponenten. Ein Schalter wird durch das Ausgangssignal des Komparators 43 gesteuert. Wenn sich das Ausgangssignal des Operationsverstärkers umkehrt, so wird die Verbindung zwischen der Referenzspannungsquelle 45 und dem gemeinsamen Anschluß 46 umge-5 kehrt. Diese Schaltungsanordnung wird verwendet, um eine Dreieckspannung mit großer Stabilität zu erzeugen.

Das Schaltventil 23 gemäß Fig. 5 führt einem Pilotrelais

einen Luftdruck PO zu. Das Pilotrelais 24 bildet eine Einrichtung zur unmittelbaren Verstärkung und Umwandlung des zugeführten Luftdrucksignales in ein Referenz-Luftdrucksignal. Der Ausgang des Pilotrelais 24 ist am Ausgangsanschluß 25 zugänglich. An diesem Anschluß steht der zu regelnde Luftdruck an.

Das Ausgangssignal des Pilotrelais 24 wird ferner einem Druckfühler 26 zugeführt. Der Druckfühler 26 wandelt das Luftdrucksignal in ein elektrisches Signal um. Das sich ergebende elektrische Signal wird durch den Verstärker verstärkt und dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 18 zugeführt.

Nachfolgend sei die Wirkungsweise des Schaltkreises gemäß Fig. 5 beschrieben. Wenn ein Stromsignal zwischen 4 und 20 Milliampere den Eingangsanschlüssen 16 und 17 zugeführt wird, so wird dieses durch den Eingangsschaltkreis 15 in ein entsprechendes Spannungssignal Va umgewandelt. Dieses Signal Va wird mit dem Ausgangssignal Vb des Verstärkers 19 verglichen, welches als elektrisches Signal dem Ausgangsluftdruck entspricht. Dies hat zur Folge, daß der Operationsverstärker 18 das Differential zwischen diesen beiden Signalen, d.h. die Größe Va - Vb ausgibt. Fig. 8(a) veranschaulicht das Abweichungssignal Va - Vb am Ausgang des Operationsverstärkers 18.

Das Abweichungssignal Va - Vb wird dem Komparator 20 zugeführt und mit dem Dreieck-Referenzsignal, welches von dem Schaltkreis 21 erzeugt wird, verglichen. Wenn das Referenzsignal größer als das Abweichungssignal Va - Vb ist, so nimmt das Ausgangssignal des Vergleichers 20 den hohen Pegel H (EIN)an, und wenn es kleiner ist als das Abweichungssignal, so nimmt das Ausgangssignal des Vergleichers 20 den niedrigen Pegel L (AUS) an. Dies bedeutet, daß ein pulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt wird, wie es in Fig. 8 (b) als Ausgangssignal des !Comparators 20 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 8 liegt das Impuls/Pauseverhältnis des Ausgangssignales des Komparators 20 in der Nähe des Nullpunktes bei 1:1. Der hohe Pegel H wird länger beibehalten, wenn das Abweichungssignal Va - Vb positiv ist, während der niedrige Pegel L länger beibehalten wird, wenn das Abweichungssignal Va - Vb negativ ist.

Hinsichtlich des Schaltventils 23 ist die Düse 4 geöffnet, wenn das Ausgangssignal des Komparators 20 den hohen Pegel H einnimmt und zum gleichen Zeitpunkt ist die Düse 5 geschlossen, so daß der Versorgungsluftdruck Ps der abgedichteten Kammer 3 zugeführt wird und das Schaltventil 23 eingeschaltet wird. Andererseits schließt, wenn das Ausgangssignal des Komparators 20 den niedrigen Pegel L aufweist, die Düse 4 und die Düse 5 öffnet, so daß der Luftdruck Ps abgetrennt wird und durch die öffnung der abgedichteten Kammer 3 zu der Atmosphäre über die Düse das Schaltventil 23 schließt.

Wenn daher ein Ein/Aus-Signal gemäß Fig. 8b vom Komparator 20 dem Schaltventil 23 zugeführt wird, so variiert der Druck in der abgedichteten Kammer 3 und der Ausgangsdruck Po am Ausgangsanschluß 6 variiert in gleicher Weise. Dies heißt, daß die Einschaltdauer im Vergleich zu der Ausschaltdauer des Schaltventils 23 länger wird, wenn das Abweichungssignal Va - Vb positiv ist. Demzufolge steigt der Ausgangsdruck Po am Ausgangsanschluß 6 ebenfalls an. Im Gegensatz hierzu wird bei negativem Abweichungssignal Va - Vb die Ausschaltdauer verlängert, und es wird der Ausgangsdruck Po abgesenkt. Die abgedichtete Kammer 3 wirkt ferner als Volumenkammer, um den Ausgangs-Luftdruck Po und den durch Impulsmodulation gewonnenen Strom zu glätten.

Der Ausgangs-Luftdruck Po wird durch den Druckfühler 26 5 erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt und sodann dem Operationsverstärker 18 über den Verstärker 19 zugeführt. Durch dieses zurückgeführte Signal wird das Abweichungssignal Va - Vb gegen 0 zurückgeführt. Durch die

Rückführung erhält man einen stabilen Ausgangs-Luftdruck Po auf Grund des zugeführten Eingangssignales.

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Claims (7)

YAMATAKE-HONEYWELL CO. LTD. 26· Juli 1985 12-19 Shibuya, 2-chome, 98008675 DE Shibuya-ku Hz/ep Tokio 150, Japan Elektropneumatischer Schalter bzw. Wandler Patentansprüche:

1. Elektropneumatischer Schalter bzw. Wandler mit einem Düse/-Prallplattesystem und mit Mitteln, um die Prallplatte durch ein elektrisches Signal auszulenken, gekennzeichnet durch die Ausbildung der Prall- platte (7) als piezoelektrisches Element, durch die Anordnung einer Ein- und einer Auslaßdüse (4a, 5a), die in einen abgedichteten Raum münden und wechselweise mit der Prallplatte (7) zusammenarbeiten und durch einen an den Raum (3) angeschlossenen Ausgang (6). 10

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ein- und Auslaßdüse (4a, 5a) einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Prallplatte (7) dazwischen angeordnet ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Räume (3, 11) in Kaskade angeordnet sind, wobei die Einlaßdüse (4a) in den ersten Raum (3) mündet und mit einer ersten Prallplatte (7A) zusammenarbeitet, daß die Auslaßdüse (5a) den ersten mit dem zweiten Raum verbindet und mit einer zweiten Prallplatte (7B) zusammenarbeitet, und daß der Ausgang (6) an den ersten Raum (3) und eine Entlüftungsöffnung (12) an den zweiten Raum (11) angeschlossen ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßdüse (4a, 5a) nebeneinanderliegend in einer Ebene angeordnet sind und

mit zwei Prallplatten (7A, 7B) zusammenwirken.

5. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine einseitige Einspannung der Prallplatte (7, 7A, 7B) und ein Zusammenwirken der Ein- und Auslaßdüse (4a, 5a) mit dem jeweils freien Ende der Prallplatte.

6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßdüse (4a, 5a)

an diagonal gegenüberliegenden Stellen in den abgedichteten Raum (3) münden und daß die Prallplatte (7) mittig eingespannt ist und ihre beiden freien Enden mit der Ein- und Auslaßdüse jeweils zusammenwirken.
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7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch

ein an den Ausgang (6) des Wandlers (23) angeschlossenes Pilotrelais (24) zur Umwandlung des Ausgangsdruckes in ein standardisiertes Drucksignal,

einen daran angeschlossenen Drucksensor (26) zur Umwandlung des standardisierten Drucksignales in ein elektrisches Signal, und
eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung (22) zur Vorgabe eines in seiner Impulsbreite modulierten Signales für die Ansteuerung des piezoelektrischen Elementes auf Grund der Abweichung zwischen dem elektrischen Signal des Drucksensors (26) und einem externen elektrischen Signal.