DE4240802C2 - Elektropneumatischer Umformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Umformer, bestehend aus Vorsteuer- und Hauptstufe, wobei die Vorsteuerstufe elektrisch ansteuerbar ist.

Ein solcher elektropneumatischer Umformer ist aus der DE-34 00 645 A1 bekannt. Die Vorsteuerstufe besteht im wesentlichen aus einem piezoelektrischen Biegeelement, welches sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung biegt und hierbei einen pneumatischen Signalgeber steuert. Bei fehlender elektrischer Spannung liegt das piezoelektrische Biegeelement auf einem Zuluftsitz auf, gegen den es vorgespannt ist. Beim Anlegen einer Spannung hebt es sich von diesem Zuluftsitz ab und verschließt einen Abluftsitz. Die elektrisch ansteuerbare Vorsteuerstufe ist hierbei durch das piezoelektrische Biegeelement realisiert, die darüber angesteuerte Hauptstufe ist ein Ventil.

Piezoelektrisch angesteuerte pneumatische Vorstufen haben den gravierenden Nachteil, daß normalerweise nur kleine pneumatische Hauptstufen ansteuerbar sind. Der bekannte elektropneumatische Umformer beinhaltet neben der reinen piezoelektrischen Vorsteuerstufe das bereits benannte Ventil, jedoch ist wegen der kleinen Schaltleistung das benannte Ventil nicht als Hauptventil im regulären Sinn zu verstehen. Mit einer solchen Anordnung wird der Vordruck eines noch größeren zu betätigenden Ventiles erzeugt. Somit ergibt sich des weiteren der Nachteil, daß die hier gezeigte Hauptstufe in ihrer Auslegung der Schaltbarkeit größerer Drücke zu schwach ist. Als für Piezoelemente typischer Nachteil läßt sich hier die mangelnde Erschütterungsfestigkeit nennen, die sich auf das Kraft-Masse-Verhältnis des verwendeten Piezobalkens zurückführen läßt. Ein weiterer Schwachpunkt einer solchen piezogesteuerten Vorstufe ist der relativ kleine Temperaturbereich, in dem diese nur einsetzbar ist. Dieser Temperaturbereich erstreckt sich zwischen minus 20 bis plus 60 Grad C. Der Grund hierfür besteht wohl darin, daß der Piezobalken aus laminierten Schichten aufgebaut ist, wobei der dort verwendete Kleber nur im angegebenen Temperaturbereich einsetzbar ist. Der Betrieb an feuchter sowie verölter Zuluft ist bei der Verwendung solcher Piezobalken und der nur kleinen Hübe wegen der internen Adhäsion des Piezobalkens auf der Düse kritisch.

Aus der DE 30 34 326 C2 ist ein elektropneumatischer Umformer bekannt, bei dem die Vorsteuerstufe mehrere Vordruckwerte erzeugen kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen Umformer zu erhalten, mit dem bei minimaler elektrischer Leistungsaufnahme eine ausreichend große pneumatische Leistung gesteuert werden kann, welcher auch bei rauhen Betriebsbedingungen wie Umgebungstemperaturschwankungen, Erschütterungen, verschmutzte Zuluft möglichst fehlerfrei arbeitet.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem elektropneumatischen Umformer der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wesentlich ist hierbei nun, daß mit der Vorsteuerstufe durch elektrische Ansteuerung mindestens drei diskrete Vordruckwerte erzeugbar sind. Im weiteren ist dann das hierüber pneumatisch angesteuerte Ventil der Hauptstufe als Wegeventil ausgebildet und weist demnach drei diskrete Schaltstellungen auf, die nun abhängig von den diskreten Vordruckwerten betätigbar sind. Bei bekannten elektropneumatischen Umformern mit Vorsteuer- und Hauptstufe liegt derzeit nur ein Ein/Aus-Verhalten vor. Die Ansteuerung der drei diskreten Schaltzustände der nachgeschalteten Hauptstufe erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung, indem einzelne Druckwerte in der Vorsteuerstufe erzeugt werden, d. h., immer dann, wenn ein entsprechend diskreter Vordruckwert erzeugt ist, wird auch der entsprechende Schaltzustand in der Hauptstufe durchgesteuert. Das Ventil der Hauptstufe ist natürlich auf diese Funktionsbedingung abgestimmt. Um die genannten Forderungen der Einsatzfähigkeit in rauhen Betriebsbedingungen auch erfüllen zu können, ist die Vorsteuerstufe nach dem Prinzip Düse-Prallplatte aufgebaut, d. h. es ist eine Düse vorgesehen, über welche im Betrieb permanent Zuluft gedrosselt entweicht und auf eine elektromagnetisch im Abstand zur Düse veränderbare Prallplatte strömt. Über diesen Abstand werden in einem Zuluftsystem der Düse die diskreten Vordruckwerte erzeugt. Der Abstand der Prallplatte von der Düse läßt sich elektromagnetisch leicht und vor allen Dingen reproduzierbar verändern. Hierdurch ist es auch möglich, mit einer solchen Vorstufe die genannten diskreten Vorsteuerdrücke zuverlässig zu erzeugen. Das Prinzip Düse-Prallplatte ist zwar an sich bekannt, jedoch ist bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die im Zuluftsystem der Düse erzeugten diskreten Vordruckwerte direkt als Steuerdruck für die Hauptstufe einzusetzen, d. h., es ist das Zuluftsystem der Düse der Vorsteuerstufe pneumatisch mit der bzw. den Steuerflächen des Wegeventiles, also der Hauptstufe, direkt verbunden. Das Wegeventil der Hauptstufe wird also direkt von dem im Zuluftsystem der Düse durch die im Abstand veränderbare Prallplatte erzeugbaren Druck angesteuert. Bei bekannten Düse-Prallplatten-Systemen wird üblicherweise der Druck im Zuluftsystem gemessen, d. h. der dort vorliegende Druck wird in ein elektrisches Signal umgeformt. Dies entfällt bei der hier vorgegebenen erfindungsgemäßen Lösung ganz.

Durch die Verwendung eines modifizierten Düse Prallplatte-Prinzipes in Verbindung mit dem entsprechenden Wegeventil als Hauptstufe ist insgesamt ein elektropneumatischer Umformer gegeben, der unter den aufgabengemäßen Gesichtspunkten sowohl bei großen Temperaturschwankungen als auch bei rauhen Umgebungsbedingungen und verschmutzter oder verölter Zuluft einwandfrei arbeitet. Das System ist außerdem noch Erschütterungsresistent. Wesentlich ist hierbei, daß der gesamte elektropneumatische Umformer unter Erfüllung der genannten Bedingungen schon recht hohe pneumatische Leistungen in der Hauptstufe schaltet, und daß das gesamte Gerät in Zweileitertechnik ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich eine hervorragende Eignung für den explosionsgeschützten Bereich.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des elektropneumatischen Umformers und

Fig. 2 im wesentlichen das auf die Funktion abgestimmte 3/3-Wege­ ventil der Hauptstufe.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorsteuerstufe 10 und der Hauptstufe 20 des elektropneumatischen Umformers. Die Vorsteuerstufe besteht hinsichtlich des Düse-Prallplatte-Systems aus einem Elektromagneten 11, der an gegebener Stelle einen Spalt 16 aufweist, einem magnetischen Körper 12, welcher im Bereich des Spaltes 16 angeordnet und über eine Wippe 13 mit der Prallplatte 14 mechanisch verbunden ist. Über die Düse 17 entweicht die über den Druckanschluß P dem Zuluftsystem 15 der Düse zugeführte Druckluft. Diese Druckluft entweicht in einem von der Düse 17 auf die Prallplatte 14 gerichteten Luftstrom. Die Druckmittelversorgung des Zuluftsystems 15 ist natürlich möglichst stationär zu halten, so daß der sich im Zuluftsystem einstellende Druck im wesentlichen allein abhängig vom Abstand der Prallplatte 14 von der Düse 17 ist. Dieser Abstand der Prallplatte 14 kann über diese Anordnung, d. h. über die Wippe unter elektrischer Beaufschlagung des Elektromagneten 11 verändert werden. Das Zuluftsystem 15 ist dabei wiederum direkt mit der Steuerfläche 21 des Wegeventiles der Hauptstufe 20 verbunden. Dieses Wegeventil ist hierbei als 3/3-Wegeventil ausgebildet.

Die Ausbildung der Vorstufe 10 als Düsen-Prallplatte-System ist in dieser Form zwar aus der DE 32 05 576 bekannt, jedoch wird bei der bekannten Anordnung das im Zuluftsystem der Düse eingestellte Druckniveau elektrisch abgegriffen. Bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung findet hier eine direkte Kopplung mit der Steuerfläche eines nachgeschalteten Ventiles der Hauptstufe statt.

Fig. 2 zeigt das auf diese Funktion abgestimmte 3/3-Wegeventil im Querschnitt. Über das Leitungssystem 22 wird über ein Filterelement 40 über eine Kugel 23, welche auf eine federnde Membran 24 wirkt, die Zuluft möglichst druckkonstant zugeführt. Über diese Kugel-Membran-Anordnung wird ein stationärer Versorgungsdruck für das Zuluftsystem der Vorsteuerstufe geschaffen. Um eine weitere Konstantregelung des Versorgungsdrucks für das Zuluftsystem der Vorstufe zu gewährleisten, wird im weiteren die Zuluft über eine Düse 25 dem Zuluftsystem 15 aus Fig. 1 der Vorsteuerstufe 10 aus Fig. 1 zugeführt. Über die Düse 25 sowie die Kugel-Membran-Anordnung wird insgesamt gewährleistet, daß gemäß der Darstellung aus Fig. 1 das Zuluftsystem 15 der Vorsteuerstufe 10 an konstantem Versorgungsdruck liegt, so daß, wie bereits erwähnt, das Druckniveau im Zuluftsystem 15 einzig vom Abstand der Prallplatte zur Düse 17 gemäß Fig. 1 abhängig ist. Hierdurch erfolgt eine Sensibilisierung des Druckluftsystems der Vorsteuerstufe 10, so daß die Erzeugung des Druckniveaus im Zuluftsystem der Vorsteuerstufe von keiner anderen Störgröße mehr abhängig ist, und somit das Ansprechen des Ventiles der Hauptstufe sehr genau und reproduzierbar erfolgen kann. Der Ausgang der Drossel 25 mündet nun in ein Leitungssystem, welches zum einen parallel in das in Fig. 1 dargestellte Zuluftsystem 15 der Vorsteuerstufe 10 mündet, und parallel dazu in den Ansteuerraum der Steuerfläche bzw. Steuerflächen 21 des Wegeventiles mündet. Die Steuerflächen bzw. deren Vorräume sind von der übrigen weiteren Ventilkanalführung hermetisch über die Membran 35 abgeschlossen. Diese ist durch entsprechende Einwölbungen derart biegsam, daß ohne weiteres der Vorsteuerdruck auf die Betätigungselemente 38 und 39 ausgeübt werden kann. Das Betätigungselement 38 ist mechanisch mit dem Ventilstößel 26 und das Element 39 mit dem Ventilstößel 27 verbunden. Mit dem Ventilstößel 26 ist der Ventilteller 29 verbunden, welcher über einen Dichtring 32 auf dem Ventilsitz 33 aufliegt. Eine Druckfeder 28 ist gegenüber der Steuerfläche 21 so angeordnet, daß der Ventilstößel 26 mitsamt des Ventiltellers 29 über die Dichtung 32 auf den Ventilsitz 33 gedrückt wird. Dieses benannte Einzelventil wird über die Steuerfläche 21 entgegen der Druckfeder 28 bei Erreichen eines entsprechenden Druckes, der die über die Feder 28 eingestellte Federkraft überwinden kann, geöffnet, so daß der Ventilteller 29 vom Ventilsitz 33 abhebt. Das andere Teilventil, welches durch den Stößel 27 und den Ventilteller 30 sowie die Dichtung 31 und den Ventilsitz 34 gebildet wird, ist bezüglich seiner Betätigungsrichtung zum erstgenannten Teilventil antiparallel.

An der entsprechenden Stelle ist ebenfalls eine Druckfeder 43 angeordnet, wobei diese Feder 43 entsprechend der gegenüber dem anderen Teilventil konstruktiv bewirkten anderen Öffnungsrichtung bestrebt ist, dieses Teilventil zu öffnen. Der an der Steuerfläche anliegende Druck 21 ist dann je nach dem, welcher Druck über die Vorsteuerstufe erreicht wird, in der Lage, ein Öffnen dieses Teilventils zu verhindern, indem der Druck an der Steuerfläche das Betätigungselement 39 und den Ventilstößel 27 entgegen der Federkraft betätigt und somit den Ventilteller 30 über die Dichtung 31 auf den Ventilsitz 34 aufpreßt. Ist die durch den Steuerdruck bewirkte Kraft gegenüber der Federkraft der Feder 43 zu klein, so wird sich dieses Teilventil öffnen. Wesentlich ist hierbei also, daß die beiden Steuerflächen 21 zueinander jeweils gemeinsam auf dem in dem Zuluftsystem der Vorsteuerstufe erzeugten Druckniveau liegen. Um die Betätigungselemente 38 und 39 in ihrer gewollten Beweglichkeit immer auf ein festes Druckniveau zu setzen, zu dem der Vorsteuerdruck dann in Differenz die Kraft auf die Betätigungselemente ausübt, sind auch hierbei entsprechende Vorräume gegeben, die zwischen der gemeinsamen Membran 35 und jeweils einer weiteren Membran 36 und 37 definiert sind, wobei diese Vorräume unter Atmosphärendruck stehen. Ebenfalls befinden sich die Druckfedern 28 und 43 in Kammern, die über entsprechende Membrane 41 und 42 vom übrigen Druckraum getrennt sind und ebenfalls unter Atmosphärendruck stehen. Auch diese Membranen sind wie alle übrigen Membranen derart ausgebildet, daß die Ventilstößelbewegung ohne weiteres möglich ist. Das Teilventil 26 schaltet beim Öffnen des Ventiltellers 29 den Versorgungsdruck P in die Arbeitsleitung A durch. Beim Öffnen des Ventiltellers 30 über den Stößel 27 wird die Arbeitsleitung in die Entlüftungsleitung R durchgeschaltet.

Insgesamt ergibt sich durch eine solche Ventilausgestaltung in Verbindung mit der entsprechend beschriebenen Vorsteuerstufe die Funktion eines 3/3-Wegeventiles, welches pneumatisch über drei diskret einzustellende Druckniveaus vorgesteuert wird. Die drei Schaltstufen, die durch die drei diskreten Vordruckniveaus angesteuert werden, sind

• a) Belüften
• b) Entlüften
• c) Aus

Alle Elemente sind im Hinblick auf die gegebene Erfindung in vorteilhafter Weise aufeinander abgestimmt. Denkbar ist eine Vervielfachung der Schaltpositionen, die einfach durch Änderung der Hauptstufe bewerkstelligbar ist, wobei die Vorstufe letztendlich die gleiche bleibt, denn es ist unter Verwendung der bereits dargestellten Vorsteuerstufe eine beliebige Anzahl von diskreten Vordruckwerten durch elektrische Ansteuerung erzeugbar.

Das System ist außerdem im Rahmen der genannten Vorteile relativ erschütterungsfest und unbeeinflußt von rauhen Betriebsbedingungen.

Claims (4)

1. Elektropneumatischer Umformer, bestehend aus Vorsteuer- und Hauptstufe, wobei die Vorsteuerstufe elektrisch ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerstufe (10) als Düse-Prallplatte-System ausgebildet ist, über welche Zuluft gedrosselt entweicht und auf eine elektromagnetisch im Abstand zur Düse (17) veränderbare Prallplatte (14) strömt, über die im Zuluftsystem (15) der Düse (17) mindestens drei diskrete Vordruckwerte erzeugbar sind, und daß das hierüber pneumatisch angesteuerte Ventil (20) der Hauptstufe als Wegeventil ausgebildet ist und mindestens drei diskrete Schaltstellungen aufweist, die abhängig von den diskreten Vordruckwerten betätigbar sind.

2. Elektropneumatischer Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (20) der Hauptstufe als 3/3-Wegeventil ausgebildet ist.

3. Elektropneumatischer Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuluftsystem (15) der Düse (17) der Vorsteuerstufe (10) pneumatisch mit der Steuerfläche (21) bzw. den Steuerflächen (21) des Wegeventils (20) direkt verbunden ist.

4. Elektropneumatischer Umformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuluftsystem (15) pneumatisch vor der bzw. den Steuerflächen (21) des 3/3-Wegeventils (20) der Hauptstufe eine einstellbare Drossel (25) vorgesehen ist.