DE69107497T2

DE69107497T2 - Pneumatikzylinder.

Info

Publication number: DE69107497T2
Application number: DE69107497T
Authority: DE
Inventors: Fang-Quan Hu; Michael Page; John Merza Watson
Original assignee: IMI Norgren Ltd
Current assignee: Norgren Ltd
Priority date: 1990-04-10
Filing date: 1991-04-08
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2011-04-09
Also published as: GB9107317D0; JPH04224305A; EP0452056B1; JP2724638B2; GB9008153D0; ATE118862T1; DE69107497D1; US5111847A; GB2243460A; EP0452056A1

Description

Pneumatikzylinder

Diese Erfindung bezieht sich auf Pneumatikzylinder bzw. pneumatische Stellglieder.
Pneumatisch betätigte Vorrichtungen werden natürlich auf allen Anwendungsgebieten, insbesondere auf dem Steuerungsgebiet, weitestgehend verwendet.
Bislang ist es herkömmliche Praxis gewesen, solche Vorrichtungen zu steuern, wie etwa Fluidstromregulatoren, welche beispielsweise sogenannte I/P-Wandler elektrisch anwenden, welche auf sich verändernde elektrische Eingabesignale hin verändernde pneumatische Ausgaben erzeugen. Unter Verwendung derartiger Wandler ist eine Fern- und/oder automatische Steuerung möglich. Jedoch weisen diese insbesondere in Bezug auf ihre Ansprechzeiten, ihre Störanfälligkeit gegen elektrisches "Rauschen" und, da relativ hohe elektrische Leistungssteuersignale benötigt werden, auf ihre Unbrauchbarkeit für die Anwendung in gefährlichen Umgebungen, Nachteile auf.
Bei der GB-Patentbeschreibung Nr. 2165062 A ist ein Pneumatikzylinder vorgeschlagen, bei dem ein optisches Steuersignal, im Unterschied zu einem relativ hohen Leistungssteuersignal, unmittelbar auf ein photo-akustisches Element auftrifft, welches Schallwellen erzeugt, die bei einem sonst normalen Laminarfluidstromweg Turbulenz erzeugen. Die Turbulenz bewirkt eine Änderung des Ausgabedruckes, der die Betätigung des Stellglieds steuert. Das photo-akustische Element stützt sich somit auf Wärmeeffekte, wobei der Zylinder insbesondere den Nachteil einer relativ langsamen Ansprechzeit aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Pneumatikzylinder geschaffen, bei dem die vorstehenden Nachteile beseitigt oder zumindest verringert werden, insbesondere die Ansprechzeit. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung, in ihrem breitesten Aspekt her, einen Pneumatikzylinder, mit:
a) einem Hohlraumelement, welches einen Einlaß für unter Druck stehendes Gas, beispielsweise Luft, einen dem Einlaß gegenüberliegend angeordneten Auslaß für das Gas und einem oder mehrere Ausströmauslässe;
b) einer Einrichtung, um den Gasstrom zum Einlaß derart zu steuern, daß normalerweise ein Laminargasstrom durch das Hohlraumelement vom Einlaß zum Auslaß strömt, wodurch eine Druckausgabe am Auslaß erzeugt wird; und
c) einer Wandlereinrichtung für die Erzeugung eines akustischen Signals für die Übertragung von Turbulenz auf den Laminarstrom auf ein optisches Steuersignal hin, wodurch zumindest etwas Luft im Strom über den/die Ausströmauslaß/Ausströmauslässe aus strömt und somit eine Verringerung des Druckausgabewertes bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung einen auf ein schwingendes elektrisches Signal ansprechenden elektroakustischen Wandler und einen auf das optische Steuersignal ansprechenden opto-elektrischen Wandler aufweist, um, direkt oder indirekt, ein schwingendes elektrisches Signal zu erzeugen.
Der Laminargasstrom kann gestört werden und daher turbulent werden, und zwar mittels einem akustischen Signal mit geeigneter Frequenz und einer Minimumamplitude, welche dadurch erzeugt wird, daß ein geeignetes schwingendes elektrisches Signal dem elektro-akustischen Wandler zugeführt wird, welcher beispielsweise ein piezoelektrisches Element, beispielsweise in der Form einer den Gaseinlaß umgebenden ringförmigen Scheibe, ist.
Ein Zylinder der vorliegenden Erfindung wird, wie nachstehend beschrieben, mittels einem, hauptsächlich optischen Steuersignal gesteuert, welches mittels dem opto-elektrischen Wandler, vorzugsweise über einen Anpassungsschaltkreis, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der optoelektrische Wandler ist vorzugsweise eine Photodiode, welche über einen Anpassungsschaltkreis, beispielsweise einen Wandler/Induktanzschaltkreis, mit dem elektro-akustischen Wandler verbunden ist. Die optische Quelle wird daher auf die vorstehend erwähnte akustische Frequenz moduliert und ist vorzugsweise eine kohärente Quelle, wie etwa ein Laser. Das Licht kann über eine optische Faserverbindung dem optoelektrischen Wandler zugeführt werden, wodurch die Vorrichtung problemlos ferngesteuert werden kann. Optische Faserverbindungen haben, verglichen mit elektrischen Kabelverbindungen, den Vorteil niedrigen Gewichts und Volumens und großer Signalbandbreite.
Ein Stellglied der Erfindung arbeitet wie nachstehend beschrieben. Normalerweise strömt, wie vorstehend angedeutet, die Luft (oder ein anderes Gas) durch das Hohlraumelement vom Einlaß zum Auslaß in einem Laminarstrom und tritt ein Großteil der Luft vom Auslaß aus, um einen Ausgabedruck zu erzeugen; mit andere Worten geht, wenn überhaupt, eine relativ geringe Menge über den Ausströmauslaß (die Ausströmauslässe) des Hohlraumelements verloren. Wenn jedoch der Strom auf die beschriebene Weise gestört wird, strömt ein Großteil der Luft durch den Ausströmauslaß (durch die Ausströmauslässe), so daß der Ausgabedruck beträchtlich fällt. Der darauffolgende Wechsel des Ausgabedruckes kann zur Steuerung der Betätigung von beispielsweise einer pneumatischen Vorrichtung, wie etwa einem Druckregulator, angewendet werden. Da ein Zylinder der Erfindung sehr schnelle Ansprechwandler (wie etwa eine Photodiode und eine piezoelektrische Vorrichtung) verwenden kann, ist ihre Gesamtansprechzeit sehr schnell und von hoher Empfindlichkeit und Stabilität.
Ein Ausführungsbeispiel eines Zylinders der Erfindung wird nachstehend mittels einem Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erklärt.
Bezogen auf die Zeichnung weist der Zylinder ein langgestrecktes, zylindrisches Hohlraumelement 1 auf, welches an dem einen Ende eine Einlaßdüse 2 für Druckluft mit einem Durchmesser von 0,5 mm und an dem anderen Ende eine 20 gegenüberliegende Auslaßdüse 3 mit einem Durchmesser von 0,5 mm aufweist. Der Abstand zwischen den Düsenlöchern beträgt ungefähr 15 mm. Das Hohlraumelement 1 hat eine Anzahl von neben der Auslaßdüse 3 in seiner Wand gebildeten Ausströmöffnungen 4.
Die Einlaßdüse 2 ist mittels einem Ende eines Versorgungsrohres 5 definiert, welches mit einer Druckluftquelle 6 über ein Durchflußsteuerventil 7 verbunden ist. Die Auslaßdüse 3 ist mittels einem Ende eines Rohrs 8 definiert.
Die Einlaßdüse 2 ist mittels einer piezoelektrischen Scheibe umgeben, welche über eine Anpassungseinrichtung 11, welche prinzipiell einen Wandler und einen Induktor aufweist, mit einer Photodiode 10 elektrisch verbunden. Eine modulierte Lichtquelle 12, welche üblicherweise eine Leistung in der Größenordnung von einigen Milliwatt aufweist, wird über eine optische Faserverbindung 13 zur Photodiode 10 geleitet.
Während der Anwendung wird das Durchflußsteuerventil 7 derart eingestellt, daß ein Druckluftstrom normalerweise laminar strömt, und zwar von der Einlaßdüse 2 über das Hohlraumelement zur Auslaßdüse 3, wodurch ein Ausgabedruck in dem Rohr 8 erzeugt wird. Der Laminarstrom kann jedoch derart gestört werden, daß er dadurch turbulent wird, daß ein passend moduliertes Lichtsignal von der Quelle 12 über die optische Faserverbindung 13 und auf die Photodiode 10 gespeist wird, wodurch mittels der piezoelektrischen Scheibe 9 ein akustisches Signal erzeugt wird.
Die Frequenz und Amplitude des akustischen Signals werden derart ausgewählt, daß eine solche Störung erzeugt wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei einem Eingabedruck im Rohr 5 von 0,3 N/cm² (0,43 psi) die effektive Signalfrequenz in der Größenordnung von 17 KHz, jedoch kann dies mit der Struktur, etc. der Anordnung schwanken. Die erforderliche Frequenz und Amplitude hängen von der präzisen Anordnung ab, können jedoch für jeden vorgegebenen Fall mittels einfachem Versuch bestimmt werden.
Aufgrund der Störung des Laminarstromes strömt ein Großteil, wenn nicht die gesamte Druckluft, eher über die Öffnungen 4 aus als durch die Auslaßdüse 3 zu gehen, so daß der Ausgabedruck in dem Rohr 8 stark fällt. Das Rohr 8 kann, gewöhlich über einen pneumatischen Verstärker beispielsweise mit dem Stellbereich eines Druckregulators oder eines Ein- /Aus-Ventils (nicht gezeigt) verbunden sein, wobei der Stellbereich auf die Änderung im Ausgabedruck im Rohr 8 anspricht.
Ein erfindungsgemäß strukturierter Pneumatikzylinder hat, beispielsweise im Vergleich zu den bekannten I/P-Wandlern und der in GB 2165062 A beschriebenen Vorrichtungsbauart, den besonders wünschenswerten Vorteil sehr geringer Ansprechzeiten, wobei von Fachleuten seit langem versucht wird, diesem Vorteil zu erreichen, bislang jedoch ohne Erfolg. Genauer gesagt hat ein Zylinder dieser Bauart üblicherweise eine Ansprechzeit von 5 Millisekunden oder weniger.

Claims

1. Pneumatikzylinder, mit:

a) einem Hohlraumelement (1), welches einen Einlaß (2) für unter Druck stehendes Gas, beispielsweise Luft, einen dem Einlaß (2) gegenüberliegend angeordneten Auslaß (3) für das Gas und einem oder mehrere Ausströmauslässe (4);

b) einer Einrichtung (7), um den Gasstrom zum Einlaß (2) derart zu steuern, daß normalerweise ein Laminargasstrom durch das Hohlraumelement (1) vom Einlaß (2) zum Auslaß (3) strömt, wodurch eine Druckausgabe am Auslaß (3) erzeugt wird; und

c) einer Wandlereinrichtung für die Erzeugung eines akustischen Signals für die Übertragung von Turbulenz auf den Laminarstrom auf ein optisches Steuersignal hin, wodurch zumindest etwas Luft im Strom über den/die Ausströmauslaß/Ausströmauslässe (4) ausströmt und somit eine Verringerung des Druckausgabewertes bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung einen auf ein schwingendes elektrisches Signal ansprechenden elektroakustischen Wandler (9) und einen auf das optische Steuersignal ansprechenden opto-elektrischen Wandler (10) aufweist, um, direkt oder indirekt, ein schwingendes elektrisches Signal zu erzeugen.

2. Pneumatikzylinder nach Anspruch 1, wobei der elektroakustische Wandler (9) eine piezoelektrische Vorrichtung ist.

3. Pneumatikzylinder nach Anspruch 2, wobei die piezoelektrische Vorrichtung die Form einer ringförmigen Scheibe hat, welche ein Ende eines den Einlaß (2) definierenden Rohres (5) umgibt und angrenzend dazu angeordnet ist.

4. Pneumatikzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der opto-elektrische Wandler (10) über einen Anpassungsschaltkreis (11) mit dem elektro-akustischen Wandler (9) verbunden ist.

5. Pneumatikzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der opto-elektrische Wandler (10) eine Photodiode ist.

6. Pneumatikzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der opto-elektrische Wandler auf passende Laser- oder Infrarotsteuersignale anspricht.

7. Pneumatikzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der opto-elektrische Wandler (10) passend modulierte optische Steuersignale, welche über eine optische Faserverbindung (13) zu ihm übertragen werden, empfangen kann.