DE69610115T2

DE69610115T2 - Thermochemische, mechanische betätigungsvorrichtung mit proportionalsteuerung

Info

Publication number: DE69610115T2
Application number: DE69610115T
Authority: DE
Inventors: A. Javor; T. Schneider
Original assignee: TCAM TECHNOLOGIES Inc
Current assignee: TCAM TECHNOLOGIES Inc
Priority date: 1995-11-14
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: EP0861373A1; WO1997018393A1; US5685149A; EP0861373B1; DE69610115D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft mechanische Energieversorgung und Betätigungsvorrichtungen. Spezielle Anwendung findet sie in Verbindung mit ausfahrbaren Betätigungselementen für hohe Kräfte und geringem Stellweg und wird mit besonderem Bezug darauf beschrieben. Es soll jedoch deutlich werden, dass die Erfindung außerdem in Verbindung sowohl mit anderen Hochdruck-Fiuidsystemen als auch mit anderer mechanischer Energieversorgung, Pumpen, Motoren, Druckzylindem, Ventilsteuereinrichtungen und dergleichen Anwendung finden kann.
Eine Möglichkeit, Wärmeübertragung zu bewirken, besteht in der physikalischen Bewegung einer Masse, z. B. das Bewegen einer Flüssigkeit zu einer Wärmequelle. Erwärmte Flüssigkeit/Dampf wird gezwungen, gegen einen Widerstand zu einer Kühlquelle zu strömen. Dampf und andere Typen von Kraftmaschinen mit äußerer Verbrennung dienen als typisches Beispiel für dieses Verfahren. In einem anderen Verfahren wird die in molekularer Bindung eingeschlossene Wärmeenergie in eine Brennkammer gepumpt. Das Gemisch wird gezündet, wobei der Verbrennungsdampf die Kammer gegen einen Widerstand verlassen kann, indem physikalisch Wärme entnommen und die Kammer für den nächsten Zyklus freigegeben wird. Die Brennkraftmaschine dient als typisches Beispiel für dieses Verfahren. Diese beiden Betriebsarten nutzen die bekannten Fähigkeiten des Stoffaustausches als wirksame Methode des Wärmetransports und bringen die notwendige Wärmeleitung zur Bewegung der Wärme auf ein Minimum.
Diese Verfahren mit flüssiger/dampfförmiger Phase weisen mehrere Nachteile auf. Zunächst wird die dampfförmige Phase bei sehr hohen Drücken verdichtet. Eine nicht vorhergesehene Entlastung dieser Drücke erzeugt Stoßwellen mit einer Luftdruckwirkung, indem Verschleißteilchen in gefährlicher Weise ausgestoßen werden. Das Material wird transportiert und ausgedehnt, was sowohl komplexe Steuerungen und eine Ventilierung als auch eine ununterbrochene Zuführung von Flüssigkeit erfordert, um die verlorengegangene oder verbrauchte Flüssigkeit zu ersetzen.
Anstatt das Material, auf das durch Wärme zum Ausdehnen und Zusammenziehen eingewirkt wird, zu transportieren, kann die Wärme selbst bewegt werden. Spezieller kann, wie in den US-Patenten 5 177 969 und 5 025 627 gezeigt, Wärme in eine abgedichtete Kammer hinein und heraus geleitet werden, die sie sich während des Erwärmungszyklus ausdehnt und im Kühlzyklus zusammenzieht. Das Verfahren mit einer abgedichteten Kammer hat viele Vorteile, die dessen mechanische Einfachheit, eine Betätigung mit hoher Steifigkeit, leichte Anpassung an vielfältige Wärmequellen, eine hohe Leistungsdichte und einen leisen Betrieb einschließen. Weil sich Flüssigkeiten im Vergleich zu Dämpfen nur in kleinem Umfang zusammendrücken lassen, neigen sie darüber hinaus dazu, sicherer zu sein als ein Flüssigkeits-/ Dampfsystem. Leider ist die Wärmeübertragung in das Medium hinein und heraus normalerweise auf die Wärmeleitfähigkeit angewiesen. Medien, die beim Schmelzen ein gutes Expansionsverhältnis und Kontraktionsverhältnis zeigen, neigen dazu, relativ geringe Wärmeleitfähigkeiten zu besitzen. So hat ein Phasenumwandlungs-Stellglied mit abgedichteter Kammer für Feststoff/Flüssigkeit die Tendenz, eine sehr langsame Zykluszeit zu besitzen.
Durch Nutzung von Begrenzungsschaltem sind die Vorrichtungen mit abgedichteter Kammer bei ausgewählten Schaltbewegungen oder Ausdehnungsgraden steuerbar geworden. In einem Ausführungsbeispiel wird das Stellglied zyklisch gedehnt bis ein erster Begrenzungsschalter ausgeschaltet wird, der die Stellenergie unterbricht. Wenn sich die Einheit zusammenzieht und mit einem zweiten Begrenzungsschalter Kontakt herstellt, wird wieder Energie zugeführt. Durch eine enge Anordnung der Begrenzungsschalter kann ein Ausdehnungsgrad gehalten werden, der im wesentlichen gleichbleibend ist. Jedoch fehlte eine wirksame Proportionalsteuerung.
Vom US-Patent 3 500 634, das als nächstliegender Stand der Technik angesehen werden kann, ist ein elektrisch gesteuertes System mit einer thermischen Betätigungsvorrichtung bekannt, das in einer Druckkammer eingeschlossenes, wärmedehnbares Material mit einem Ausgabeelement und einem Heizelement zum Erwärmen des ausdehnbaren Materials aufweist. Bezüglich der Wärmeübertragung in das Material ist ein Temperaturmeßfühler eingesetzt, wobei das elektrische Signal von diesem zusammen mit dem Signal von einem Fluidzustand-Meßfühler mit einem Standard in einer Steuerschaltung verglichen wird, um das Heizelement zu steuern.
Die Druckschrift US 4 451 793 zeigt ein Regelungssystem mit Rückführung, bei dem das Fehlersignal durch ein Zittersignal mit periodischem Muster oszilliert wird, um das gesteuerte Ausgangssignal in Schwingung zu versetzen.
Die vorliegende Erfindung zieht eine neue und verbesserte Proportionalsteuerung für Betätigungsvorrichtungen mit abgedichteter Kammer in Betracht.

Übersicht über die Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System einer elektrisch gesteuerten, thermischen Betätigungsvorrichtung vorgesehen. Das Gehäuse der Betätigungsvorrichtung bildet eine innere Kammer, die ein sich bei Erwärmung ausdehnendes Material enthält. Ein Verlängerungsteil ist mit diesem Material verbunden, das sich bei dessen Erwärmung relativ zu dem Gehäuse der Betätigungsvorrichtung ausdehnt. Von einer Stromversorgung wird elektrische Energie gezielt einem Heizelement zugeführt, das in der inneren Kammer angeordnet ist. Eine Eingangsschaltung erzeugt ein Steuersignal, das auf einen ausgewählten Grad der Ausdehnung des Verlängerungsteils relativ zum Gehäuse der thermischen Betätigungsvorrichtung schließen läßt. Eine Rückkopplungschaltung erkennt einen Zustand der thermischen Betätigungsvorrichtung und erzeugt ein Rückführungssignal, das auf den erfaßten Zustand schließen läßt. Ein Fehlersignal bestimmt eine Abweichung zwischen dem Steuersignal und dem Rückführsignal und steuert die Stromzufuhr dementsprechend.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Zittersignal-Schaltung ein oszillierendes Zittersignal. Die Zittersignal-Schaltung ist mit einer von Eingangsschaltung, Rückkopplungsschaltung und Fehlerschaltung verbunden, um das Zittersignal zum Steuersignal oder Rückführungssignal zu addieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erkennt die Rückkopplungsschaltung zumindest eines von Position, Geschwindigkeit oder Kraft des Verlängerungsteils.
Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erkennt die Rückkopplungsschaltung Parameter, die zumindest auf eines von Temperatur, Druck und spezifisches Volumen und Menge des Materials, integrierte Leistungsaufnahme in dem Heizelement, eine Dielektrizitätskonstante des Materials, Widerstandsfähigkeit des Materials, Lichtdurchlässigkeit des Materials und Druck im Material schließen lassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Material ein Phasenumwandlungsmaterial, welches sich bei Wärme zwischen (i) kristallinen Zuständen, (ii) festen und flüssigen Zuständen oder (iii) flüssigen und gasförmigen Zuständen umwandelt.
Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines thermischen Stellglieds vorgesehen. Das thermische Stellglied umfaßt ein Stellgliedgehäuse, das eine innere Kammer bildet, die ein sich bei Erwärmung ausdehnendes Material enthält. Mit dem Material ist ein Verlängerungsteil verbunden, das sich relativ zum Gehäuseteil ausdehnt, wenn das Material erwärmt wird. In der inneren Kammer ist ein Heizelement angeordnet. Es wird ein Zustand des thermischen Stellglieds gefühlt und ein entsprechendes Rückführungssignal erzeugt. Es ist ein Bezugssignal vorgesehen, das auf einen ausgewählten Grad der Ausdehnung oder eine Kraftzunahme des Verlängerungsteils relativ zum Gehäuse des thermischen Stellgliedes schließen läßt. Das Bezugssignal und das Rückführungssignal werden verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das auf eine Abweichung zwischen diesen schließen läßt. Eine dem Heizelement zugeführte Energiemenge wird entsprechend dem Fehlersignal eingestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine oszillierende Zittersignal- Komponente zum Steuersignal oder Rückführungssignal addiert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer Fähigkeit, eine echte und genaue Proportionalsteuerung zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer mechanischen Einfachheit.
Noch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung schließen hohe Leistungsdichten, ruhigen Betrieb, Sicherheit, schnelle Arbeitsgeschwindigkeiten und hohe Steifigkeit ein.
Noch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung kann in verschiedenen Komponenten und Anordnungen von Komponenten sowie in verschiedenen Schritten und Anordungen von Schritten realisiert werden. Die Zeichnungen dienen nur dem Zweck der Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Es zeigen
Fig. 1 ein Schaltbild einer Proportional-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine detaillierte Schaltung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Rückkopplungs-Steuerschaltung von Fig. 1;
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel, das mehrere Einrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizient verwendet;
Fig. 4 die schematische Darstellung eines anderen
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 die schematische Darstellung eines noch anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, in der zwei Parameter des Polymers gemessen werden, um die
Ausdehnungscharakteristik und die Kraftcharakteristik zu bestimmen;
Fig. 6 die schematische Darstellung eines noch weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Mit Bezug auf Fig. 1 erzeugt ein Betätigungselement oder eine Bezugs- Eingangsschaltung 10 ein Eingangssignal, das auf eine gewünschte Position, Geschwindigkeit, Stellkraft, Temperatur der Steuervorrichtung oder dergleichen schließen läßt. Die Fehlerschaltung 12 bestimmt einen Fehler zwischen der Bezugseingabe und einem entsprechenden Rückführungssignal, um ein Fehlersigal zu erzeugen. Geeignete Fehlerschaltungen enthalten Differenzverstärker, Vergleichsschaltungen und Mikroprozessoren. Eine Stromumwandlungsvorrichtung 14 wandelt das Fehlersignal in einen angemessenen elektrischen Leistungspegel für ein thermisches Stellglied 16 mit abgedichteter Kammer um, wie die in den US-Patenten Nr. 5 025 627, 5 177 969, 5 419 133 oder in der anhängigen US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 08/447 914, dargestellten Stellglieder. Ein Rückkopplungsmonitor 18 überwacht die ausgewählten Reaktionen des thermischen Stellglieds 16. Die überwachte(n) Reaktion(en) entsprechen dem Bezugs-Eingangssignal der Bezugs-Eingangsschaltung 10. Folglich schließen die überwachten physikalischen Bedingungen ein: Position, Änderung der Position oder Geschwindigkeit, Kraft, Temperatur, Druck, optische Transparenz (des Polymers), Qualität, und dergleichen. Wenn mehr als ein Rückkopplungsmonitor vorhanden ist, der ausgewählt werden kann, verknüpft eine ODER-Schaltung 20 oder läßt den ausgewählten als Rückführungssignal durch. Eine Rückführungssignal-Schaltung 22 bewirkt eine angemessene Einstellung hinsichtlich Größe, Verstärkung oder anderer Charakteristiken des Rückführungssignals, derart, dass seine Größe und andere Eigenschaften dem Bezugs-Eingangssignal von der Eingangsschaltung 10 entsprechen. Die Bezugseingangsschaltung und das Rückführungssignal werden verglichen, indem sie auf positive und negative Eingangsimpulse eines Differenzverstärkers bezogen und an einem Summierungspunkt 24 oder dergleichen subtrahiert werden.
Vorzugsweise überwacht eine Begrenzungssteuerschaltung 26 Grenzbedingungen, wie die höchste Ausdehnung, die maximale oder Höchsttemperatur, die maximale Kraft oder die Grenzkraft oder dergleichen. Als Reaktion auf das Erreichen dieser Grenze erzeugt die Begrenzungssteuerschaltung ein Signal an die Fehlerschaltung, die es auf Null setzt oder das Fehlersignal reduziert, und daher die dem Energiewandler 14 zugeführte Energiemenge unterbricht oder reduziert.
Eine Zitterschaltung 30 erzeugt ein oszillierendes Zittersignal, das mit dem Bezugssignal (oder Rückführungssignal) summiert wird. Das Zittersignal besitzt eine Frequenz, die mit einer Geschwindigkeit des thermischen Stellgliedes vergleichbar ist. Bei dem thermischen Stellglied des bevorzugten Ausführungsbeispiels, das eine Stellzeit von etwa 1,5 Sekunden aufweist, wird eine Zittersignal-Frequenz von etwa 10 bis 50 Hz erzeugt, wobei etwa 20 Hz bevorzugt werden. Das Zittersignal hat eine Amplitude, die einem Bruchteil des Bezugssignals (oder Rückführungssignals) entspricht. Die Zittersignal- Schaltung kann mit dem Bezugseingangssignal derart gekoppelt werden, dass die Amplitude des Zittersignals entsprechend der Amplitude des Bezugseingarigssignals, z. B. 10% des Bezugssignals, eingestellt ist. Alternativ dazu kann das Zittersignal eine Amplitude als konstanten Bruchteil aufweisen.
Mit Bezug auf Fig. 2 vergleicht die Begrenzungsschaltung 10 im bevorzugten Ausführungsbeispiel eine veränderliche Gleichspannungsquelle mit einem festen Wert. Sie enthält einen als Vergleicher ausgeführten Funktionsverstärker 40 zur Begrenzung des Eingangssignals auf den festen Wert.
Die Fehlersignalschaltung 12 enthält einen Differenzverstärker 44, der das Steuersignal an einem seiner positiven oder negativen Eingänge, in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel am positiven Eingang, aufnimmt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Energiewandler eine Leuchtdiode oder andere optische Quelle 46, die mit einem lichtempfindlichen Wechselstromthyristor 48 oder dergleichen gekoppelt ist, um eine elektrische Isolierung zwischen dem Fehlersignal und dem thermischen Stellglied 16 zu erzeugen. Natürlich können auch magnetische, hochfrequente und andere Zwischenverbindungen, die keine direkte Verbindung bewirken, verwendet werden. Analog dazu können direkte elektrische Verbindungen genutzt werden, die wegen der Einfachheit und Leistungsfähigkeit der Schaltung vorteilhaft sein können. Die lichtempfindliche Vorrichtung 48 ist mit einem Wechselstromthyristor 50 verbunden, der den prozentualen Anteil jeder Schwingung der Wechselstromquelle 52 steuert, die einer Heizspule 54 des thermischen Stellglieds 16 zugeführt wird. Bei Gleichstromquellen ersetzt ein MOSFET-Transistor oder dergleichen den Wechselstromthyristor 50.
Das thermische Stellglied umfaßt ein erstes und ein zweites Gehäuseteil 56, 58, die eine innere Kammer 60 bilden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Gehäuseteile 56 und 58 konische, zylindrische oder andere geometrische Flächen auf, die parallel sind und eng nebeneinander liegen, so dass die innere Kammer 60 ein dünner, scheibenförmiger, konischer oder rohrförmiger Bereich ist. Das Heizelement 54 ist schraubenförmig Muster durch die konische, abgedichtete Kammer 60 hindurch gewunden, die sich zwischen den elektrischen Hochdruck- Durchführungen 62, 64 erstreckt. Ein ausfahrbares Element 66, wie ein Stift, ein Schnappkopf, Balgelemente oder dergleichen, ist mit der abgedichteten Kammer 60 verbunden. Die Kammer ist mit einem Material gefüllt, das sich bei Erwärmung ausdehnt, indem sich das ausfahrbare Element 66 ausdehnt und bei Abkühlung zusammenzieht, wodurch es zurückgezogen werden kann. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durchläuft das Material eine Phasenumwandlung, die eine wirksame Umwandlung der Wärmeenergie in eine Expansivkraft bewirkt. Geeignete Phasenumwandlungen schließen Änderungen ein zwischen kristallinen Zuständen, festen und flüssigen Zuständen und flüssigen und gasförmigen Zuständen. Geeignetes Material schließt festes Paraffin, synthetische Wachse, Freon und andere Kohlenwasserstoffe ein.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 54 ein Draht aus Nichrom, der an elektrisch isolierenden, versetzten Elementen wie den Kunststoffrippen 68 angebracht ist, welche die Nichrom-Drähte im beabstandeten Verhältnis relativ zu den Gehäuseteilen 56, 58 halten. Zur schnellen thermischen Abkühlung sind die Gehäuseteile aus einem sehr wärmeleitfähigen Material wie Aluminium hergestellt, das auch elektrisch leitfähig ist, so dass ein schnelles Zusammenziehen erreicht wird. Zur schnellen Betätigung ist es besser, dass die elektrischen Widerstandsdrähte innerhalb von nur wenigen molekularen Längen des Polymers voneinander und den Wänden der Gehäuseteile angebracht sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Heizdrähte innerhalb von 0,3 cm, vorzugsweise 0,1 cm oder weniger, voneinander beabstandet. Die Heizdrähte sind außerdem von den Wänden in einer fast gleichen Größenordnung beabstandet. Das Polymer ist vorzugsweise ein mittleres Kettenpolyethylen wie Paraffin. Diese mittleren Kettenpolyethylene besitzen jeweils eine Temperatur, bei der sie eine Phasenumwandlung durchmachen. Unter den verschiedenen Polyethylenen wird entsprechend der Temperatur der Umgebung, in der das thermische Stellglied betätigt werden soll, eine Auswahl getroffen.
Die Monitorschaltung 18 des veranschaulichten Ausführungsbeispiels überwacht die Ausdehnung des ausfahrbaren Elements 66. Das ausfahrbare Element ist mit einem Schleifkontakt 70 eines Potentiometers 72 verbunden. An den Stellwiderstand wird die Bezugsspannung 74 angelegt, so dass der Signalausgang an den Schleifkontakt 70 der Ausdehnung des ausfahrbaren Elements proportional ist und eine Größe sowie einen Bereich aufweist, die der Größe und dem Bereich des Steuersignals vom Eingangsschaltkreis 10 angepaßt sind. Das Rückführungssignal ist mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 44 verbunden, so dass das Fehlersignal die Differenz ist zwischen Steuer- oder Bezugssignal und Rückführungssignal. Die Rückkopplungsschaltung 22 weist einen Verstärker 76 auf, der eine einstellbare Bezugsspannung für das entgegengesetzte Ende des Potentiometers liefert. Die verstellbare Bezugsspannung 78 erzeugt am Ausgang des Potentiometers 72 eine Null-Einstellung. Das Einstellen der Bezugsspannung 74 am anderen Ende des Potentiometers bewirkt eine Einstellung für den Spannungsbereich oder den Bereich des Rückführungssignals. Alternativ dazu können zum Messen der Ausdehnung ein linearer Wandler, optische Meßfühler, magnetische Meßfühler und dergleichen verwendet werden. Natürlich kann anstelle der Erkennung einer Ausdehnung des ausfahrbaren Elements 66 eine Differenzierschaltung vorgesehen werden, um die Position zu unterscheiden und eine Anzeige der Geschwindigkeit der Ausdehnung zu bewirken. Als andere Möglichkeit kann in dem in der abgedichteten Kammer 60 befindlichen Polymerwerkstoff ein Thermoelement eingelassen sein oder sich sehr eng neben diesem befinden, um die Temperatur des Polymers abzutasten. Als weitere Möglichkeit kann ein Strommeßfühler mit einer der Durchführungen 62 verbunden sein, um die Temperatur des Heizelementes 54 auf der Basis des angezogenen elektrischen Stromes, den Widerstand über dem Heizelement oder andere elektrische Eigenschaften zu bestimmen.
Die Begrenzungssteuerung 26 erzeugt ein Begrenzungssignal, welches bewirkt, dass die Fehlerschaltung das thermische Stellglied daran hindert, sich weiter auszudehnen oder anderweitig Temperaturgrenzen des Stellglieds überschritten werden. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel erkennt die Begrenzungssteuerschaltung 26 die Temperatur des thermischen Elements oder des Polymers. Wenn vorgewählte Temperaturgrenzen überschritten werden, wird ein Begrenzungssignal erzeugt. Mit dem Thermoelement 82 ist ein Verstärker 80 verbunden. Wenn die Temperatur eine vorgewählte Grenze überschreitet, wird das Bezugs- oder Steuersignal reduziert oder sogar auf Null gesetzt.
Die Zittersignal-Schaltung 30 des bevorzugten Ausführungsbeispiels enthält einen Oszillator, der ein oszillierendes Ausgangssignal liefert. Mit der bevorzugten thermischen Vorrichtung, die eine Stellgeschwindigkeit von etwa 1,5 Sekunden aufweist, wird eine Oszillationsfrequenz von etwa 20 Hz bevorzugt. Der Oszillator des bevorzugten Ausführungsbeispiels enthält einen Verstärker 90, wobei der eine Eingang mit einem Kondensator 92 und der andere Eingang mit einer Rückkopplungsschleife verbunden ist. Die Rückkopplungsschleife ist mit der Steuerschaltung 10 gekoppelt, um die Amplitude entsprechend der Amplitude des Steuersignals zu steuern. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Zittersignal gesteuert, um eine Amplitude von etwa 10% des Eingangssignals zu erhalten. Natürlich kann anstelle einer Steuerung der Amplitude des Zittersignals die Breite seiner Impulse moduliert werden oder dergleichen. Das Zittersignal überwindet Fehler infolge Reibung des Stiftes oder Stick-Slip.
Um das Risiko einer thermischen Überlastung zu reduzieren, ist in der thermischen Verbindung mit dem Polymer eine Thermistorvorrichtung 94 mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) angebracht. Die Vorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizient ist zwischen dem Stromwandler 14 und dem Heizelement 54 angeschlossen. Wenn sich die Vorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizient erwärmt, erhöht sich ihr elektrischer Widerstand, indem die Größe der dem Heizelement zugeführten elektrischen Energie verringert wird.
Die Vorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizient ist einem Steuersystem ohne Rückkopplung unterworfen. Das Steuersystem ohne Rückkopplung enthält eine Stromversorgung, die Strom für die Heizspule liefert. Eine Leistungspegel-Steuerung, wie ein Impulsbreitenmodulator, stellt die Größe des Stromes ein, der der Heizspule zugeführt wird. Der bevorzugte Impulsbreitenmodulator besitzt eine konstante Spannungsamplitude, weist jedoch Impulse mit veränderlicher Breite auf, um die Größe der der Heizspule zugeführten Energie einzustellen. Natürlich werden andere Stromversorgungen wie Spannungsversorgungen mit verstellbarer Größe und dergleichen in Betracht gezogen. Um ein Durchbrennen des Fadens zu verhindern, ist eine Thermistorvorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PCT) zwischen der Stromversorgung und dem Faden angeschlossen. Der Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizient ist nahe dem Polymerwerkstoff in enger thermischer Verbindung angeschlossen. Weil die Vorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizient einen elektrischen Widerstand aufweist, der mit der Temperatur zunimmt, so wie sich die Temperatur des Polymers einer Grenztemperatur nähert, nimmt die Menge des in das Heizelement eingeleiteten Stromes ab. Möglicherweise wird eine maximale Temperatur in gleichbleibendem Zustand erreicht.
Mit Bezug auf die Fig. 3 sind um die innere Kammer 60 mehrere Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizient 94&sub1;, 94&sub2;, 94&sub3;, ..., angeordnet. Jede Vorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizient ist so ausgewählt, dass sie unterschiedliche Temperatureigenschaften besitzt. Durch einstellbares Auswählen der Eigenschaften von beispielsweise drei Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizient können die Reaktionskurven einstellbar ausgewählt werden. Wahlweise ist eine Diode 26 mit einer oder mehreren der Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizient in Reihe geschaltet, um eine stromlose Ansteuerung zu bewirken. Zum Beispiel kann eine relativ scharfe Unterbrechung erzielt werden, so dass eine Ausdehnung proportional zum Strom für einen vorgewählten Einstellpunkt ist, nachdem zugeführte Energie im wesentlichen kein weiteres Erwärmen bewirkt. Es können andere Kombinationen von Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizient genutzt werden, so dass die Strom-Ausdehnungs-Kurve den vorgewählten linearen oder nichtlinearen Charakteristiken folgt.
Mit Bezug auf die Fig. 4 wurden verschiedene Typen von Rückkopplungsmonitoren 18 in Betracht gezogen. Zum Beispiel kann ein Verschiebungswandler mit linearer Spannung genutzt werden, um die Position des ausdehnbaren Elementes 66 zu messen. Es können Kraftmeßdosen verwendet werden, um die Kraft des ausfahrbaren Elements zu messen. Jedoch haben Verschiebungswandler mit linearer Spannung und Kraftmeßdosen die Tendenz, dass sie verhältnismäßig teuer sind.
Das thermische Stellglied 16 mit abgedichteter Kammer verwendet Polymere, die sich ausdehnen oder das Volumen ändern, so dass ein das Stellglied antreibender Druck erzeugt wird. Der thermische Zustand des Polymers ist eine thermodynamische Eigenschaft, die typischerweise einzig und allein durch Temperatur, Druck und spezifisches Volumen des Werkstoffs beschrieben werden kann. Bei den offenbarten thermisch ausdehnbaren Stellgliedern ist der Druck des Polymers direkt auf die Kraft oder die Belastung des Stellgliedes bezogen, wobei das spezifische Volumen des Polymers direkt auf die Ausdehnung des Stellgliedes bezogen ist. Mit Ausnahme des Schmelz- oder Phasenumwandlungspunktes ist es bei Kenntnis zweier beliebiger Parameter von Temperatur, Druck und spezifischem Volumen möglich, den dritten zu berechnen. Am Schmelz- oder Phasenumwandlungspunkt, d. h. einem Erweichungspunkt, tritt eine Diskontinuität auf, in der die Parameter Temperatur und Druck nicht mehr unabhängig sind. Vielmehr werden diese beiden Parameter abhängig, so dass ein zusätzlicher Parameter benötigt wird, um nur das System zu kennzeichnen. Zum Beispiel werden am Siedepunkt von Wasser Temperatur und Druck in der gesamten Verdampfung zu konstanten Werten verknüpft. Das spezifische Volumen, die Enthalpie und die Entropie des Werkstoffes sind erheblich vergrößert, wenn Wasser von Flüssigkeit in Dampf umgewandelt wird. Temperatur und Druck bleiben jedoch im gesamten Prozeß unverändert. In Dampfsystemen ist die Qualität ein zur Beschreibung des thermodynamischen Zustandes des Werkstoffes eingeführter zusätzlicher Parameter. Die Qualität von Dampf ist die prozentuale Masse des Gemisches, das als Flüssigkeit existiert, dividiert durch die Gesamtmasse des flüssigen und dampfförmigen Systems. Damit kann die Kenntnis von Qualität und Druck des vorliegenden Stellglieds ausreichende Informationen liefern, um dessen Kraft und Ausdehnung zu berechnen. Ebenso können Qualität und Temperatur, spezifisches Volumen und Temperatur sowie andere Kombinationen der beiden unabhängigen Variablen die Basis von Berechnungen sein, um den einzelnen Zustand des Stellgliedes zu bestimmen.
Das Thermoelement 82 nach Fig. 2 kann anstelle eines Grenzzustandsfühlers genutzt werden, um die Temperaturparameter zu fühlen. Obwohl in der inneren Kammer des Stellgliedes Temperaturänderungen vorhanden sein können, ist eine angemessene Eichung der elektronischen Schaltung ausreichend, so dass das Temperatursignal als Rückführungssignal genutzt werden kann.
Der Parameter Qualität des Systems kann durch eine Messung des spezifischen Volumens des Polymers oder durch eine Dichtemessung bestimmt werden. Das spezifische Volumen wiederum ist durch Ausdehnung des ausfahrbaren Elements bestimmbar, wobei es aber auch durch Integration der gesamten Wärmezufuhr in das System oder durch Dichtemessungen für ein System mit bekannten Enthalpie- und Entropiezuständen bestimmt werden kann. Mit Bezug auf die Fig. 4 kann die Wärmezufuhr gemessen und durch eine Schaltung 100 integriert werden, die mit den Eingangs-Anschlußleitungen 62, 64 des Stellgliedes 16 verbunden ist. Zum Beispiel kann die Integration der Wärmezufuhr bestimmt werden, indem die gesamte Anzahl von zugeführten Heizleistungen abzüglich des Wärmestroms, der vom Stellglied in eine Wärmesenke fließt, berechnet werden. Wenn der Wärmefluß in die Wärmesenke konstant ist, kann die Wärmeeichung der Schaltung 100 ihre Wirkung aufheben. Wenn sich die Wärmesenke verändert, dann wird der Wärmefluß eine Funktion der Temperatur der Wärmesenke werden. Durch Messung der Temperatur der Wärmesenke kann eine Berechnung des Wärmeflusses zur Wärmesenke durchgeführt, integriert und von der aufgenommenen Leistung subtrahiert werden.
Mit Bezug auf die Fig. 5 mißt der Rückkopplungsmonitor 18 die Polymerdichte direkt, die eine Schaltung 102 in eine Anzeige des spezifischen Volumens umwandelt. Zur Dichtemessung des Polymers können verschiedene technische Methoden genutzt werden. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 nutzt eine in vielen Polymeren vorkommende Eigenschaft, die sie sich beim Schmelzen von einer durchscheinenden in eine klare Farbe umwandeln. Eine Leuchtdiode 104 erzeugt Licht, das durch eine optische Faser 106 in das in der abgedichteten Kammer 60 befindliche Polymer übertragen wird. Ein Ende der zweiten optischen Faser 108 befindet sich im Abstand von der ersten optischen Faser 106 durch einen Spaft, der mit dem Polymer gefüllt ist. Die Photodioden 110 und 112 messen die Intensität des in das Polymer übertragene Licht und die Lichtmenge, die durch das im Spalt befindliche Polymer gekreuzt wird. Die Verhältnisschaltung 114 bestimmt ein Verhältnis dieser Intensitäten und erzeugt eine Anzeige der Durchlässigkeit oder Klarheit des Polymers und somit seiner Dichte und des spezifischen Volumens. Die Schaltung 116 für spezifisches Volumen wandelt das Verhältnis in ein Signal um, das auf das spezifische Volumen schließen läßt. Die genauen Einzelheiten der Schaltung für das spezifische Volumen sind vom ausgewählten Polymer abhängig. Alternativ dazu kann der Brechungsindex eines faseroptischen Meßfühlers genutzt werden, um einen Schmelzzustand des Polymers zu erkennen.
In der abgedichteten Kammer 60 ist ein Drucksensor 118 angeordnet. Es werden verschiedene Drucksensoren in Betracht gezogen, wie ein Drucksensor mit optischer Faser, ein kapazitiver Drucksensor oder dergleichen. Eine Druckausgangsschaltung 120 liefert ein Signal, das dem Druck proportional ist.
Die Schaltung 122 wandelt den Druck und das spezifische Volumen um, so dass eine direkte Anzeige von Ausdehnung und Kraft des Stellglieds erzeugt wird. Die Fehlerschaltung 12, vorzugsweise ein Computer, vergleicht die tatsächlichen Charakteristiken von Ausdehnung und Kraft mit der Eingabe von Funktionseigenschaften durch die Eingangsschaltung 10 und steuert dementsprechend die Stromversorgung 14. Die Funktionen der Schaltkreise 122 und 12 sind vorzugsweise in einem herkömmlichen Mikroprozessor integriert.
Mit Bezug auf Fig. 6 kann die Qualität des Polymers auch aus seinen elektrischen Eigenschaften bestimmt werden. Der Rückkopplungsmonitor enthält eine Schaltung 130, welche die Kapazität oder den Widerstand zwischen der Heizspule 54 und dem Gehäuse des Stellgliedes mißt. Es soll deutlich werden, dass die Heizspule und das Gehäuse durch das dielektrische Polymer voneinander getrennt sind, um einen Kondensator zu bilden. Wenn sich die dielektrischen Eigenschaften des Polymers mit der Temperatur verändern, ändert sich die Kapazität des Kondensators. Analog dazu ist das Polymer ein Teil des Widerstandsweges zwischen der Heizspule und dem Gehäuse des Polymers. Dichteänderungen bewirken wiederum eine Änderung des Widerstandes, die wiederum auf den Parameter Qualität schließen läßt. In analoger Weise können in Kontakt mit dem Polymer befindliche, unabhängige Sensoren oder Fühlelemente in der abgedichteten Kammer 60 angeordnet werden, um elektrisch die Änderungen seiner dielektrischen Eigenschaften zu ermitteln. Die Schaltung 130 liest außerdem den Widerstand über den Anschlußleitungen 62, 64 ein, um eine Anzeige der Temperatur zu bewirken. Aus der Temperatur und der Qualität des Polymers können Kraft und Ausdehnung des ausfahrbaren Elements ohne weiteres durch eine Schaltung 132 berechnet werden. Kraft und Ausdehnung des ausfahrbaren Elements von der Schaltung 132 werden mit einem gewünschten Eingangssignal der Ausdehnung oder der Kraft durch die Eingangsschaltung 10 mit Hilfe der zentralen Steuereinrichtung 12, vorzugsweise auf der Basis eines Computers, verglichen.

Claims

1. Elektrisch gesteuerte, thermische Betätigungsvorrichtung, umfassend ein Stellgliedgehäuse (56, 58), das eine innere Kammer (60) bildet, die ein Material enthält, das sich bei Erwärmung ausdehnt, ein mit dem Material verbundenes Verlängerungsteil (66), das relativ zu dem Stellgliedgehäuse ausfährt, wenn das Material erwärmt wird, ein in der inneren Kammer angeordnetes Heizelement (54), und eine

Stromversorgung (52), um dem Heizelement selektiv elektrische Energie zuzuführen,

eine Eingangsschaltung (10), um ein Steuersignal zu erzeugen, das auf einen gewählten Grad von Verlängerung oder Kraft des Verlängerungsteils relativ zu dem Gehäuse des thermischen Stellglieds schließen läßt;

eine Rückkopplungsschaltung (18, 22, 26, 130), die (1) einen Zustand des thermischen Stellglieds erfaßt und (2) ein Rückführungssignal liefert, das auf den erfaßten Zustand schließen läßt;

eine Fehlerschaltung (12) zum Bestimmen einer Abweichung zwischen dem Steuersignal und dem Rückführungssignal und zum Steuern der Stromversorgung in Übereinstimmung damit;

gekennzeichnet durch

eine Zittersignal-Schaltung (30) zum Erzeugen eines oszillierenden Zittersignals, wobei die Zittersignal-Schaltung mit einer der Schaltungen:

Eingangsschaltung (10), Rückkopplungsschaltung (18, 22, 26, 130), Fehlerschaltung (12) verbunden ist, um das Zittersignal zu einem der Signale: Steuersignal und Rückführungssignal zu addieren.

2. Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet dadurch: dass das Material eine isothermische Phasenumwandlung durchmacht, wenn es sich ausdehnt.

3. Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet: dass eine der Schaltungen Eingangsschaltung und Rückkopplungsschaltung (10, 18, 22, 26, 130) mit der Zittersignal- Schaltung (12) verbunden ist, um eine Amplitude des Zittersignals entsprechend einer Amplitude von mindestens einem der Signale Steuersignal und Rückführungssignal zu steuern.

4. Thermische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch: die Rückkopplungsschaltung (18, 22, 26) mit einem Sensor (18), der mit dem Verlängerungsteil (66) verbunden ist, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das sich zumindest entsprechend einem der Werte Ausdehnung, Geschwindigkeit, Kraft des Verlängerungsteils ändert.

5. Thermische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch die Rückkopplungsschaltung, die Parameter erkennt, die zumindest auf eines von:

Temperatur, Druck, und spezifischem Volumen und Qualität des Materials;

integrierter Leistungsaufnahme in dem Heizelement;

eine Dielektrizitätskonstante des Materials;

Widerstandsfähigkeit des Materials;

Licht-Durchlässigkeit des Materials; und

Druck in dem Material schließen lassen.

6. Thermische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch: einen mit der Stromversorgung elektrisch verbundenen Thermistor (94) mit positivem Temperaturkoeffizient und zumindest einem von beiden, Heizelement oder Heizelement-Stromfühler verbunden ist.

7. Thermische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet dass das Material ein Phasenumwandlungsmaterial ist, das sich bei Wärme umwandelt zwischen (1) kristallinen Zuständen, (ii) festen und flüssigen Zuständen, oder (iii) flüssigen und gasförmigen Zuständen.

8. Verfahren zur Steuerung eines thermischen Stellglieds (16), das ein Stellgliedgehäuse (56, 58) umfaßt, das eine innere Kammer (60) bildet, die ein Material enthält, das sich bei Erwärmung ausdehnt,

ein mit dem Material verbundenes Verlängerungsteil (66), das relativ zu dem Stellgliedgehäuse ausfährt, wenn das Material erwärmt wird, und ein in der inneren Kammer angeordnetes Heizelement (54), welches einschließt:

Erfassen (18) eines Zustandes des thermischen Stellglieds (16) und Erzeugen eines Rückführungssignals entsprechend dem erfaßten Zustand;

Bereitstellen (10) eines Bezugssignals, das auf einen ausgewählten Grad der Ausdehnung oder Kraftzunahme des Verlängerungsteils relativ zu dem Gehäuseteil schließen läßt, gekennzeichnet durch Addieren (30) einer oszillierenden Zittersignal-Komponente zu mindestens einem der Signale Steuersignal und Rückführungssignal;

Vergleichen (24) der Bezugssignale und der Rückführungssignale, um ein Fehlersignal (12) zu erzeugen, das auf eine Abweichung zwischen diesen schließen läßt;

Einstellen (14) einer in das Heizelement entsprechend dem Fehlersignal zugeführten Energiemenge.

9. Verfahren nach Anspruch 8, weiter gekennzeichnet durch: Hinzugeben von Wärme zu dem Material, derart, dass es eine isothermische Phasenumwandlung durchmacht, wobei sich das Material während einer Phasenumwandlung ausdehnt und seine Temperatur konstant bleibt.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erfaßte Zustand mindestens einen der folgenden Zustände umfaßt:

Stellung des Verlängerungsteils;

Geschwindigkeit des Verlängerungsteils;

Kraft des Verlängerungsteils;

integrierte Leistungsaufnahme in dem Heizelement;

eine Dielektrizitätskonstante des Materials;

Widerstandsfähigkeit des Materials;

Lichtdurchlässigkeit des Polymers; und

Druck des Materials.