DE3601907C2 - Fluiddruckregler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluiddruckregler und insbesondere auf einen Fluiddruckregler vom nicht belüfteten bzw. nicht offenen Typ, bei welchem kein Fluiddruck an Atmosphäre abgegeben wird; dabei handelt es sich insbesondere um Fluiddruck­ regler, welche sich zur Regelung des Druckes eines Fluides, z. B. eines Sauerstoffgases, proportional zu einem angelegten elektrischen Signal und zur Erzeugung eines geregelten Fluid­ druckes als Ausgangsdruck eignen.

Fluiddruckregler mit einem elektrischen Umsetzer und einem Druck­ wandler in Kombination sind zur Regelung eines Fluidausgangs­ druckes auf einen konstanten Pegel durch die Verwendung eines elektrischen Signals bekannt. Ein derartiger üblicher Fluid­ regler ist in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, hat ein elektropneumatischer Umsetzer 2 für die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein pneumatisches Drucksignal einen Ausgang, welcher mit einer ersten Öffnung 6 eines Druckumwandlers 4 verbunden ist, welcher ein Diaphragma 8 aufgenommen enthält. Der Druckum­ wandler 4 hat auch ein Regelventil 10, dessen eines Ende gegen das Diaphragma 8 gehalten ist und dessen gegenüberliegendes Ende in einem Ventilloch 15 positioniert ist, welches zwischen einer zweiten Öffnung 12, welche als Druckversor­ gungsöffnung dient, und einer dritten Öffnung 14, welche als Druckauslaßöffnung für die Erzeugung eines Ausgangsfluid­ druckes dient, gebildet ist. Deswegen ist der Druckumwandler 4 vom nicht belüfteten bzw. nicht offenen Typ, bei welchem kein pneumatischer Druck an Atmosphäre abgegeben wird.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten des elektropneumatischen Umsetzers 2. Der elektropneumatische Umsetzer 2 hat einen Drehmoment­ erzeuger 16 mit einer Spule 18, über welche sich ein Schwing­ hebel 22 erstreckt, der mittig von einem Zapfen 20 gehalten wird. Eine Rückkopplungsspiralfeder 24 ist an einem Ende mit einem Ende des Schwinghebels 22 verbunden. Das andere Ende der Rückkopplungsspiralfeder 24 ist an einem Rückkopplungshebel 26 schwenkbar an einem Ende gelagert und an seinem Mittelab­ schnitt von einem Rückkopplungsbalg 28 mit Druck beaufschlagt. Das andere Ende des Schwinghebels 22 ist nahe einer Düse 34 positioniert, welche mit Luft unter vorgegebenem Druck von einer Luftdruckquelle 30 über eine feststehende Verengung 32 versorgt wird. Der Ausgangsluftdruck von der Düse 34 wird zu einem Steuerventil 36 geleitet, welcher ein Ausgangsluftdruck erzeugt, der von der Luft geregelt wird, welcher von der Luftdruckquelle 30 abgezweigt wird. Der Ausgangsluftdruck von dem Steuerventil 36 verzweigt sich zu den Rückkopplungsbälgen 28. Der Drehmomenterzeuger 16 hat einen Magneten 38, welcher um die Spule 18 angeordnet ist, welche mit Leitern 40 verbun­ den ist, über welche ein elektrisches Eingangssignal an die Spule 18 gegeben wird.

Wenn das elektrische Eingangssignal über die Leiter 40 vari­ iert wird, so bewirkt eine solche Signaländerung eine Veränderung in dem elektrischen Strom, welcher durch die Spule 18 fließt, worauf eine Veränderung in dem magnetischen Fluß bewirkt wird, der von ihm erzeugt wird. Die magnetische Kraft, welche auf den Schwinghebel 22 einwirkt, verändert sich dann, so daß sich der auf dem Zapfen 20 gehaltene Schwinghebel 22 dreht, so daß sich der Abstand zwischen der Düse 34 und dem entsprechenden Ende des Schwinghebels 22 verändert. Dadurch wird auch der Gegendruck der Düse 34 verändert. Der Düsengegendruck wird in dem Steuerventil 36 in einen Ausgangsluftdruck verstärkt. Ein Teil des Ausgangsluftdruckes von dem Steuerventil 36 wird an die Rückkopplungsbälge 28 gegeben, um auf den Rückkopplungshebel 26 zu drücken. Der Rückkopplungshebel 26 wird dadurch winkelmäßig verstellt, um an der Rückkopplungsfeder 24 zu ziehen, welche dann den Schwinghebel 22 winkelmäßig verstellt, um wiederum den Düsengegendruck zu verändern. Insbesondere wirkt die Feder 24 dahingehend, die Kraft auszugleichen, welche dazu neigt, den Schwinghebel 22 auf das elektrische Eingangssignal hin, welches an die Spule 18 angelegt wird, zu verstellen. Der Schwinghebel 22 wird in einen Gleichgewichtszustand gebracht, wenn die an dem Schwinghebel 22 auf das elektrische Eingangssignal hin erzeugte Kraft gleich der Kraft ist, die auf den Schwinghebel 22 von den Rückkopplungsbälgen 28 ausgeübt wird. Auf diese Weise kann der Ausgangsluftdruck von dem Steuerventil 36 immer proportional zu dem angelegten elektrischen Eingangssignal erzeugt werden.

Hieraus ist zu entnehmen, daß der übliche Regler im wesent­ lichen aus einem Mechanismus zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in ein Luftdrucksignal und einem Mechanismus zur Regelung eines Fluiddruckes proportional zu dem umgewan­ delten Luftdruck zusammengesetzt ist. Wo ein Düsenklappenme­ chanismus verwendet wird, ist es im allgemeinen möglich, den elektropneumatischen Umsetzer mit hoher Genauigkeit zu bauen, da der Düsengegendruck sehr genau einreguliert werden kann. Es wäre jedoch schwierig, ein Düsenklappenmechanismus in dem Druckumwandler unterzubringen, welcher mit dem sehr genauen elektropneumatischen Umsetzer gekoppelt ist, da ein Gas, wie beispielsweise Sauerstoff, nicht als Ausgangsdruck an Atmosphäre abgegeben werden kann. Deswegen ist es üblich geworden, in Kombination einen sehr genauen elektropneumati­ schen Umsetzer und einen Druckumwandler zu verwenden, welcher nicht so genau ist. Der bekannte Fluiddruckregler ist deswegen nachteilig, weil seine Gesamtgenauigkeit nicht auf das gewün­ schte Maß angehoben werden kann.

Aus der DE 32 20 815 A1 ist eine Druckregelvorrichtung für gasförmige und flüssige Strömungsmittel mit einem Druckregler bekannt, der einen Eingang und einen Ausgang für das Strömungsmittel, einen dazwischen angeordneten Druckraum, dessen Druck geregelt werden soll, ein die Strömung des Strömungsmittels durch den Druckraum bestimmendes Hauptventil als Stellglied, einen elektromagnetischen Sollwerteinsteller, eine mit dem zu regelnden Druckraum verbundene Ist­ wert-Meßkammer und eine Soll-Ist-Vergleichsvorrichtung aufweist, die in Abhängigkeit vom Vergleich zwischen dem vom Sollwerteinsteller vorgegebenen Solldruck und dem Ist-Druck der Istwert-Kammer das Hauptventil betätigt. Um bei Änderungen des Sollwerts und des Ist-Wertes den Ist-Wert unter Vermeidung von die Genauigkeit störenden Einflüssen schnell und genau auf den Sollwert einstellen zu können, ist ein Sollwertumformer vorgesehen, der einen den Druck des zu regelnden Druckraumes ausgesetzten, ein dem jeweiligen Druck entsprechendes elektrisches Ist-Signal erzeugenden Istwertfühler und einen Vergleicher aufweist, der das elektrische Ist-Signal mit einem ihm vorgegebenen Sollwert vergleicht und ein diesem Vergleich entsprechendes korrigiertes Sollwertsignal an den elektromagnetischen Sollwerteinsteller liefert. Die dadurch erreichte Strömungsmittelrückkopplung mit der Ist­ wert-Meßkammer soll auf Druckänderungen in der zu regelnden Druckkammer und auch auf Druckänderungen des Sollwerteinstellers schnell ansprechen und in sehr kurzer Zeit eine Anpassung des Istwertes an den Sollwert bewirken. Dennoch verbleibende Regelabweichungen sollen durch eine durch den Sollwertumformer gegebene elektrische Rückkopplung behoben werden. Durch die Verwendung eines Druckentlastungsventils, bestehend aus einem Ventilkörper und einem Ventilsitz, ist jedoch keine ausreichend genaue Steuerung der Druckentlastung möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Fluiddruckregler zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher Herstellungsweise höhere Genauigkeiten zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Fluiddruckregler gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beilie­ genden Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines üblichen Fluiddruckreglers;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines elektropneumatischen Umsetzers in dem Fluiddruckregler gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Fluiddruckreglers nach der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Fluiddruckregler 50 nach Fig. 3 enthält ein Gehäuse 52, einen Düsenklappenmechanismus 54, angeordnet in einem oberen Teil des Gehäuses 52, und eine Steuerventilan­ ordnung 56, angeordnet in einem unteren Teil des Gehäuses 52.

Der Düsenklappenmechanismus 54 besteht aus einer Düse 60, welche einen vorgegebenen Düsendurchmesser hat und mit einer Düsengegendruckkammer 58 der Steuerventilanordnung 56 in Strömungsverbindung steht, sowie einer flachen Prallplatte 62. Die Prallplatte 62 besitzt ein freies Ende, welches in vorge­ gebenem Abstand von der Düse 60 angeordnet ist. Das äußere Ende der Prallplatte 62 ist an dem Gehäuse 52 mittels Schraube 64 befestigt. Die Prallplatte 62 hat ein flaches elektrostrik­ tives Element, bestehend aus zwei piezoelektrischen kerami­ schen Schichten 66 mit Elektroden und einer Elektrodenschicht 68, welche sandwich-artig zwischen den piezoelektrischen keramischen Schichten 66 liegt. Eine vorgegebene Spannung wird an die Prallplatte 62 mittels einer Steuereinrichtung 62 über Leiter 70 angelegt, welche an die piezoelektrischen kerami­ schen Schichten 66 geführt sind. Die Steuerventilanordnung 56 enthält zwei vertikal im Abstand befindliche, einander gegen­ überliegende Diaphragmen (Membrane) 74, 76, einen Kolben 78, welcher die Diaphragmen in Abstandsbeziehung in im wesentli­ chen mittigen Abschnitten hält, und einen Ventilkörper 80, welcher in eine konische Ausnehmung 78a eingreift, die in dem unteren Ende des Kolbens 78 gebildet ist. Das Diaphragma 74 hat eine größere Druckaufnahmefläche als das Diaphragma 76. Der Ventilkörper 80 besteht im wesentlichen aus einem halb­ sphärischen Vorsprung 82, welcher in der konischen Ausnehmung 78a sitzt, einem Stab 84, welcher sich nach unten von dem halbsphärischen Vorsprung 82 aus erstreckt, und einem halb­ sphärischen inneren Ventil 86, welches an dem unteren Ende des Stabes 84 festliegt. Der Ventilkörper 80 wird normalerweise mit einer Spiralfeder 88, welche gegen das innere Ventil 86 anliegt, nach oben gedrückt, um den Vorsprung 82 in die Aus­ nehmung 78a des Kolbens 78 zu drücken. Unter normalen Be­ dingungen sitzt daher die obere halbsphärische Seite des inneren Ventils 86 auf einem Ventilsitz 90, welcher an dem Gehäuse 52 vorgesehen ist, um die Fluidverbindung zu schließen, welche mittels Durchlässen 96, 98, 100 zwischen einer Versorgungsöffnung 92 und einer Auslaßöffnung 94, die in dem Gehäuse 52 gebildet sind, vorgesehen ist.

Das Gehäuse 52 hat auch eine Öffnung 102 oberhalb der Versor­ gungsöffnung 92, jedoch ohne Verbindung zu dieser, für die Zufuhr von Luft. Die Öffnung 102 steht in Strömungsverbindung mit der Düsengegendruckkammer 58 über Durchlässe 104a, 104b, 104c, 104d, 104e. Der Durchlaß 104d hat eine Mundstücköffnung 106, um unter Druck bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit jederzeit Luft in die Düsengegendruckkammer 58 einzuführen. Von dem Durchlaß 104b zweigt ein Durchlaß 104f ab, welcher mit einer Versorgungsdruckkammer 108 in Strömungsverbindung steht, welche zwischen den Diaphragmen 74, 76 gebildet ist. Die Düsengegendruckkammer 58 ist im Volumen größer als die Versor­ gungsdruckkammer 108. Das Diaphragma 76 und das Gehäuse 52 bilden zwischen sich eine Atmosphärendruckkammer 110, welche über einen Durchlaß 112 zur Atmosphäre hin belüftet ist. Durchlässe 114a, 114b, 114c erstrecken sich in gegenseitiger Strömungsverbindung von der Auslaßöffnung 94, wobei die Durch­ lässe 114a, 114b, 114c nicht mit der Atmosphärendruckkammer 110 in Strömungsverbindung stehen und mit einer Vertiefung 116 verbunden sind. Ein Drucksensor 118 ist fest in der Vertiefung 116 angeordnet, wobei der Drucksensor 118 ein halbleitendes Diaphragma (nicht dargestellt) aufweist. Eine Verschiebung des Halbleiterdiaphragmas wird als Spannungsänderung aufgenommen, welche über Leiter 120 zu der Steuer­ einrichtung 72 gegeben wird. Wenn beispielsweise der Ausgangsfluiddruck über die Durchlässe 114a, 114b, 114c an den Drucksensor 118 gelegt wird, wird das Halbleiterdiaphragma verschoben, um seinen eigenen elektrischen Widerstand derart zu ändern, daß der Ausgangsfluiddruck als ein elektrisches Signal nachgewiesen werden kann.

Ein so aufgebauter Fluiddruckregler arbeitet wie folgt:
Es sei angenommen, daß ein Sauerstoffgas, welches nicht an Atmosphäre abgegeben wird, der Zufuhröffnung 92 zugeführt und geregelt in seinem Druck von dem Ventilkörper 80, aus der Auslaßöffnung 94 abgegeben wird. Wenn ein elektrisches Ein­ gangssignal der Steuereinrichtung 72 Zugeführt wird, liefert die Steuereinrichtung 72 eine vorgegebene Spannung an den Düsenklappenmechanismus 54 über die Leiter 70. Abhängig von der Polarität der Spannung, die von der Steuereinrichtung 72 angelegt wird, werden die piezoelektrischen keramischen Schichten 66 veranlaßt, den Abstand zwischen ihnen und dem Mundstück der Düse 60 zu ändern. Im Ergebnis wird der Düsen­ gegendruck in der Düsengegendruckkammer 58, die mit Luft versorgt wird, über die Düse 60 verändert. Wenn beispielsweise der Düsengegendruck in der Düsengegendruckkammer 58 ansteigt wird der Kolben 58, wie mit Pfeil A angedeutet, abgesenkt, um den halbsphärischen Vorsprung 82 an der Ausnehmung 78a abwärts zu bewegen, wodurch sich der Ventilkörper 80 nach unten gegen die Federkraft der Spiralfeder 88 bewegt. Das innere Ventil 86 ist nunmehr nach unten von dem Ventilsitz 90 abgehoben, um eine Strömungsverbindung von der Zufuhröffnung 92 über die Durchlässe 96, 98, 100 vorzusehen, wodurch das Sauerstoffgas, welches von der Versorgungsöffnung 92 aus zugeführt wird, der Auslaßöffnung 94 zugeleitet wird.

Das Sauerstoffgas, welches unter gegebenem Druck von der Auslaßöffnung 94 abgegeben wird, wird auch über die Durchlässe 14a, 14b, 14c in die Vertiefung 116 geleitet, in welcher das Sauerstoffgas das halbleitende Diaphragma des Drucksensors 118 beaufschlagt. Das halbleitende Diaphragma erzeugt nun ein Spannungssignal, welches dem angelegten Druck des Sauerstoff­ gases entspricht und liefert das Spannungssignal über die Leiter 120 an die Steuereinrichtung 72. Daher wird das Aus­ gangsdrucksignal an die Steuereinrichtung 72 zurückgeführt. Die Steuereinrichtung 72 vergleicht das so zurückgeführte Spannungssignal mit dem elektrischen Eingangssignal; wenn dort irgendeine Differenz besteht, wird ein Differenzspannungssig­ nal an den Düsenklappenmechanismus 54 gelegt, um eine derarti­ ge Signaldifferenz zu beseitigen. Die Steuereinrichtung 72 bewirkt jederzeit eine Rückkopplungssteuerung durch Vergleich zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem Ausgangsdruck­ signal, welches zurückgeführt wird. Wenn keine Differenz zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem Ausgangs­ drucksignal besteht, wird die Düsenanordnung 56 in ihren Gleichgewichtszustand gebracht. Beim Erreichen des Gleichge­ wichtszustandes wird ein Sauerstoffgasdruck proportional zu dem elektrischen Eingangssignal an der Ausgangsöffnung 94 erzeugt.

Mit der Anordnung entsprechend der Erfindung wird der Aus­ gangssauerstoffgasdruck an den sehr genauen elektropneuma­ tischen Umsetzersensor zurückgeführt, welcher einen Düsen­ klappenmechanismus benutzt. Folglich kann der Sauerstoffgas­ druck mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden. Der Fluiddruck­ regler ist einfach im Aufbau. Da ein elektrostriktives Element zur Steuerung des Düsengegendruckes verwendet wird, kann der Fluidregler auf einfache Weise elektrisch gesteuert und in seiner Größe verringert werden, und er ist sehr widerstands­ fähig gegen mechanische Ermüdungserscheinungen bei wieder­ holtem Gebrauch. Deswegen hat der erfindungsgemäße Fluiddruckregler größerem Wartungszeiten. Bei dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist Sauerstoffgas als das Fluid beschrieben, welches von der Versorgungsöffnung an die Auslaßöffnung geführt wird,. Es kann jedoch Druck nicht nur von Gas, sondern auch von Flüssig­ keit geregelt werden, da der Fluiddurchlaß von der Versorgungsöffnung zu der Auslaßöffnung von dem Fluiddurchlaß getrennt ist, welcher dem Düsenklappenmechanismus zugeordnet ist.

Obgleich ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel ge­ zeigt und beschrieben worden ist, ist klar, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims (4)

1. Fluiddruckregler zur Regelung des Fluiddruckes eines ersten Fluids in Abhängigkeit von einem elektrischen Eingangs­ signal, mit einem Gehäuse (52) und einer Düse (60) sowie einer Düsengegendruckkammer (58) welche mit der Düse (60) in Strömungsverbindung steht, mit einem Ventilkörper (80), welcher beweglich in dem Gehäuse (52) angeordnet ist, um den Fluidstrom durch einen Durchlaß (96, 98, 100) zu steuern, welcher in dem Gehäuse (52) zwischen einer Versorgungsöffnung (92) und einer Auslaßöffnung (94) angeordnet ist, und zwar in Abhängigkeit von der Änderung des Düsengegendrucks in der Düsengegendruckkammer (58), mit einem Sensor (118) in dem Gehäuse (52) zur Umwandlung des Ausgangsfluiddrucks, welcher von der Auslaßöffnung (94) abgegriffen wird, in ein elektrisches Rückkopplungssignal, und mit einer Steuereinrichtung (72) zur Steuerung des Düsengegendrucks derart, daß die Differenz zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem elektrischen Rückkopplungssignal beseitigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (52) ein von dem elektrischen Ausgangs­ signal der Steuereinrichtung gesteuerter Düsenklappenmecha­ nismus (54) angeordnet ist, der in Abhängigkeit von der Differenz eine Änderung des Düsengegendruckes in der Düsen­ gegendruckkammer (58) erzeugt, daß die Düsengegendruckkammer (58) mit einem,zweiten Fluid beaufschlagt ist, welches von dem ersten Fluid in dem Durchlaß (96, 98, 100) verschieden ist, daß eine Diaphragmaanordnung (74, 76) vorgesehen ist, die zwei Diaphragmen (74, 76) mit unterschiedlichen Druckaufnahmeflächen aufweist, wobei eine Oberfläche des Diaphragmas (74) mit größerer Druckauf­ nahmefläche dem Düsengegendruck und eine Oberfläche des Diaphragmas (76) mit geringerer Druckaufnahmefläche dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist, daß der Raum zwischen den Diaphragmen (74, 76) über einen Durchlaß (104f) mit dem zweiten Fluid in Strömungsverbindung steht und daß der Ventilkörper (80) von der Diaphragmaanordnung (74, 76) bewegbar ist.

2. Fluiddruckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wand der Düsengegendruckkammer (58) von der Diaphragmaan­ ordnung (74, 76) gebildet ist, die in Abhängigkeit von der Änderung des Düsengegendruckes verschiebbar ist, daß die Diaphragmaanordnung (74, 76) einen Kolben (78) aufweist, welcher an der Diaphragmaanordnung (74, 76) angebracht ist, und daß der Ventilkörper (80) in eine Ausnehmung (78a) eingreift, die in einem Ende des Kolbens (78) gebildet ist.

3. Fluiddruckregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Fluid Luft ist.

4. Fluiddruckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenklappenmechanismus (54) ein flaches elektrostriktives Element (62) aufweist.