-
Die Erfindung betrifft elektropneumatische Wandler,
die im allgemeinen im Stand der Technik auch als I/P-Wandler (Strom-Druck-Wandler)
bezeichnet werden, bei denen es sich um Drucksteuerungsinstrumente
handelt, die zur Bereitstellung eines Fluiddruckausgangs verwendet
werden, das der linear oder andernfalls proportional zu einem elektrischen
Eingangssignal ist (wobei es sich bei dem Fluid üblicherweise um komprimierte
Luft handelt).
-
In einer bekannten Bauart für einen I/P-Wandler
(der nachstehend als "elektromagnetischer
I/P-Wandler der beschriebenen Bauart" bezeichnet ist), wird der Fluiddruckausgang
in Abhängigkeit
von einem elektrischen Eingangssignal variiert, das einer ringförmigen elektromagnetischen Spule
zugeführt
wird, die operativ einer "Klappe" (flapper) zugeordnet
ist, die mit einer Fluidausstoßdüse zusammenarbeitet.
Die Spule arbeitet mit einer Permanentmagnetanordnung zusammen und
nimmt eine axiale Position in Bezug auf die Magnetanordnung in Abhängigkeit
von der Größe des elektrischen Eingangssignals
an. Somit nimmt die Klappe eine entsprechende Position näher oder
weiter entfernt von der Ausstoßdüse an, und
erzeugt einen variablen Gegendruck innerhalb der Düse, der
wiederum abhängig
von der Größe des elektrischen
Eingangssignals ist. Dieser Gegendruck bestimmt über einen Kolben oder über eine Membrananordnung
das Ausmaß der Öffnung der
Hauptventilanordnung des Wandlers und daher den Fluidausgangsdruck
des Wandlers.
-
In einem allgemein verwendeten Aufbau
für einen
I/P-Wandler der
beschriebenen Bauart ist die elektromagnetische Spule an der oberen
Oberfläche eines
Endes eines Hebels befestigt, der drehbar an einem Gelenkpunkt angebracht
ist, wobei das andere Ende des Hebels die Klappe an deren unterer
Oberfläche
trägt,
wobei die Klappe mit der Ausstoßdüse zusammenarbeitet,
die darunter angeordnet ist. Ein derartiger Aufbau ist nicht sonderlich
kompakt, und es gibt das ernste Problem, dass er sehr empfindlich gegenüber externen
Vibrationen ist, da er eine Gelenk-Hebel-Anordnung anwendet. Dieses
Problem kann durch Bereitstellung einer Regelungsanordnung gelöst werden,
jedoch ist die Herstellung des Wandlers dann deutlich kostspieliger.
-
Ein verbesserter Aufbau, der von
uns ausgelegt wurde und der in unseren früheren I/P-Wandlern der 100-Serie
umgesetzt wurde, ist die Gelenk-Hebel-Anordnung durch ein ringförmiges Biegeteil
(flexure) ersetzt, der fest an dessen Rand befestigt ist und einen
integralen flexiblen zentralen Abschnitt aufweist, der eine getrennt
gebildete Klappe trägt, wobei
die Spule an der oberen Oberfläche
des flexiblen zentralen Abschnitts angebracht ist und die Klappe
mit der Fluidausstoßdüse zusammenarbeitet,
die unter dem zentralen Abschnitt der Biegung angeordnet ist. Ein
derartiger Aufbau ist weniger empfindlich gegenüber externen Vibrationen, ist
jedoch nicht besonders kompakt.
-
Ein derartiger Aufbau ist ebenfalls
aus der
JP 57 200 702 bekannt,
die den Oberbegriff von Patentanspruch 1 offenbart.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, relativ kompakten und kostengünstigen
Entwurf eines elektromagnetischen I/P-Wandlers der vorstehend beschriebenen
Art bereitzustellen, bei dem insbesondere nicht das Problem im Zusammenhang
mit externen Vibrationen auftritt, ungeachtet davon, ob eine Regelung
vorhanden ist oder nicht. Wie deutlich wird, ermöglichen bevorzugte Merkmale
des Entwurfs andere deutliche Vorteile gegenüber Entwürfen gemäß dem Stand der Technik.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
in ihrer breitesten Ausgestaltung ist ein elektromagnetischer I/P-Wandler
der vorstehend beschriebenen Art bereitgestellt, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Fluidausstoßauslaß an dem
oberen offenen Ende eines verlängerten
Düsenteils
definiert ist, das innerhalb des inneren Polstücks koaxial in Bezug auf den ringförmigen Raum
sich erstreckt, wobei der Fluidausströmungsauslaß über der oberen Extremität des inneren
Polstücks
und unter der Klappe angeordnet ist.
-
Wie im weiteren Verlauf beschrieben
ist, ergeben sich durch Anwenden des vorstehend definierten Aufbaus
signifikante Vorteile, und weitere Vorteile ergeben sich durch Anwendung
einiger oder aller der bevorzugten neuen Merkmale, die als Beispiel
in dem beiliegenden Zeichnungssatz veranschaulicht sind. Es zeigen:
-
1 einen
seitliche Schnittdarstellung im Maßstab von etwa 4 : 1 eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
für einen
I/P-Wandler gemäß der vorliegenden
Erfindung,
-
2 eine
auseinandergezogene detaillierte isometrische Darstellung des I/P-Wandlers
gemäß 1, jedoch in der tatsächlichen
Größe gezeichnet,
-
3 eine
seitliche Schnittdarstellung im vergrößerten Maßstab einer alternativen Elektromagnetspulen-/Permanentmagnetanordnung,
die zum Einsatz in einem I/P-Wandler gemäß der Erfindung geeignet ist,
-
4 eine
seitliche Schnittdarstellung im vergrößerten Maßstab einer weiteren alternativen Elektromagnetspulen-/Permanentmagnetanordnung,
die zum Einsatz in einem I/P-Wandler gemäß der Erfindung geeignet ist,
-
5A eine
Draufsicht im vergrößerten Maßstab eines
modifizierten Biegeteils, das zum Einsatz in einem I/P-Wandler gemäß der Erfindung
geeignet ist, und
-
5B eine
seitliche Darstellung des modifizierten Biegeteils gemäß 5A.
-
Gemäß den 1 und 2 weist
der I/P-Wandler einen rechteckigen unteren Aufbauabschnitt 1 auf,
der einen Durchlass 2 zur Zufuhr komprimierter Luft abgrenzt,
dem bei Verwendung komprimierte Luft über einen Einlass 3 typischerweise
mit einem Druck innerhalb des Bereichs von 20 bis 150 psi zugeführt wird.
Das obere Ende des Zufuhrdurchlasses 2 weist ein darin
eingeschraubtes Ventil und einen Aufbau 4, der stufenförmige axiale
Bohrungen 4' und 4'' aufweist, die an ihrer Verbindung
einen Sitz 5 abgrenzen, sowie einen Kugelverschluss 6 auf.
Wie im weiteren Verlauf der Beschreibung ausführlicher beschrieben ist, wird
der Kugelverschluss 6 bei Verwendung von dem Sitz 5 zu
einem kleineren oder größeren Ausmaß mittels
eines Stifts 7 versetzt, der gleitfähig in der Bohrung 4'' angebracht ist und auf den Kugelverschluss
wird durch eine Membrananordnung 8 eingewirkt.
-
Die Membrananordnung 8 besteht
aus einer zusammengesetzten Struktur, die einen rechteckigen unteren
Stützabschnitt 8' aufweist, der
aus einem elastomerischen Material hergestellt ist, an dessen obere
Oberfläche
eine zentrale metallische Scheibe 8'' gebondet
ist. Die untere Oberfläche
des Stützabschnitts 8' wirkt auf den
Stift 7 ein. Der Rand des unteren Stützabschnitts 8' der Membrananordnung 8 ist zwischen
der oberen umlaufenden Fläche
des unteren Aufbauabschnitts 1 und der unteren umlaufenden Fläche eines
zwischenliegenden rechteckförmigen Aufbauabschnitts 9 sandwichartig
angeordnet, und zusammen mit jeweils in der oberen Fläche des
unteren Aufbauabschnitts 1 und der unteren Fläche des Zwischenaufbauabschnitts 9 gebildeten
Aussparungen werden obere und untere Kammern 10 und 11 jeweils
gebildet. Der Durchgang 2 öffnet sich in die untere Kammer 10 über den
Sitz 5/den Kugelverschluss 6 und die Bohrungen 4', 4'', und die Kammern 10 und 11 sind
durch eine kleine Bohrung 12 in der Scheibe 8'' und dem Stützabschnitt 8' miteinander
verbunden. Die Membrananordnung 8 ist in abwärts gerichteter Richtung
durch eine kleine Kompressionsfeder 13 vorgespannt, die
auf der Scheibe 8'' gesetzt ist.
-
Die obere Kammer 11 kommuniziert
mit Durchlässen 14, 14', die in dem
Zwischenkörperabschnitt 9 gebildet
sind, die wiederum mit einem Durchlass 14'' kommunizieren,
der in dem unteren Körperabschnitt 1 gebildet
ist. Der Durchlass
14'' schließt einen
Anschluss 15 ab, aus dem das Druckausgangssignal des Wandlers
ausgegeben wird, wie später
beschrieben ist. Die obere Kammer 11 kommuniziert weiterhin
mit einem verlängerten
Düsenteil 16,
dessen unteres Ende durch eine O-Ringdichtung 17 in einer Öffnung 18 angebracht
ist, die in dem Zwischenkörperabschnitt 9 geformt
ist, und dessen oberes Ende schließt in einem Auslaß 19 ab,
der benachbart zu einem externen Gewindeabschnitt 20 liegt.
-
Das Düsenteil 16 ist mittels
des Gewindeabschnitts 20 durch Verschraubung in einem ringförmigen Polstück 21 einer
Permanentmagnetanordnung 22 befestigt, die einen ringförmigen Permanentmagneten 23 aufweist.
Das andere Polstück
der Magnetanordnung 22 ist durch einen Ring 24 gebildet.
Das Polstück 21 weist
einen ringförmigen
Grundabschnitt 25 auf, der an dem Zwischenkörperabschnitt 9 angebracht
ist. Die Polstücke 21 und 24 sind
voneinander beabstandet, um dazwischen eine ringförmige Lücke (einen
ringförmigen
Spalt) 26 zu definieren.
-
Ein einstückiges Biegeteil mit geringer
Masse 27, das einen ringförmigen Randabschnitt 28 und einen
zentralen Klappenabschnitt 29 aufweist, der mit dem ringförmigen Abschnitt 27 durch
fünf flexible Arme 30 usw.
(vgl. insbesondere 2)
verbunden ist, ist fest mittels des Randabschnitts 28 an
dem Rand des ringförmigen
Magnetteils 24 angebracht. Eine spulenkörperlose zylindrische elektromagnetische
Spule 31 ist an dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 befestigt
und schwebt frei in dem ringförmigen
Spalt 26.
-
Die Magnetanordnung 22,
das Biegeteil 27 und die Spule 31 sind in einem
oberen Körperabschnitt 32 untergebracht,
die eine obere Aussparung 33 aufweist, in der insbesondere
eine gedruckte Schaltungsplatine 34 untergebracht ist,
an der kleinere elektrische Komponenten angebracht sind und mit der
zwei freie Enden 35 und 36 der Spule verbunden sind.
Insbesondere gemäß 2 kann die gedruckte Schaltungsplatine 34 wiederum
direkt mit einem freiliegenden Draht 37 verbunden sein, über das
bei Verwendung das elektrische Eingangssignal zugeführt wird
und das von dem oberen Körperabschnitt 32 über einen
darin geformt rechteckförmigen
Schlitz 38 vorspringt. Der Schlitz 38 dient ebenfalls
als Ausstoßanschluss
für Luft,
die aus dem Auslaß 19 des
Düsenteils 16 ausgegeben
wird, wie später
beschrieben ist. Die obere Aussparung 33 ist durch eine
Platte 39 geschlossen. Alternativ dazu kann das elektrische Eingangssignal
dem Wandler über
Drähte
zugeführt werden,
die mit einem Anschlussblock 40 verbunden sind, der an
der Platte 39 angebracht ist.
-
Der Betrieb des Wandlers ist in Prinzip
derselbe wie der andere elektromagnetische Wandler und ist somit
für den
Fachmann bekannt. Er ist jedoch im folgenden kurz beschrieben. Es
sei angenommen, dass anfänglich
kein elektrisches Eingangssignal vorhanden ist, d. h. dass die Spule 31 sich
an einer neutralen Position befindet und somit der Spalt zwischen
dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 und
des Auslaßes 19 maximal
ist. Anfänglich
schlägt
die Feder 13 eine kleine abwärts gerichtete Nettokraft auf
die Membrananordnung 8 auf, die über den Stift 7 die
Kugel 6 leicht von dem Sitz 5 versetzt. Daher
strömt
komprimierte Luft mit relativ geringer Rate von dem Luftzufuhreinlass 3 in
die Kammer 10 über
den Durchlass 2. Sie fließt ebenfalls in die Kammer 11 über die
Bohrung 12 in der Membrananordnung 8 und aufwärts über die
Düsenanordnung 16 zu
dem Auslaß 19.
Sie strömt
dann durch den Schlitz 38 mit einer Rate aus, die durch den
Abstand zwischen dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 und
dem Auslaß 19 gesteuert
wird. Ein Gegendruck wird innerhalb der Düsenanordnung 16 eingerichtet,
weshalb in der Kammer 11 die Größe des Gegendrucks invers mit
der Größe dieses
Abstands variiert. Die Luft in der Kammer 11 stellt über die Durchlässe 14, 14' und 14'' einen Ausgangsdruck an dem Anschluss 15 bereit.
Dieser Ausgangsdruck, der auf dessen Minimalwert ist, wenn kein
elektrisches Eingangssignal vorhanden ist, wird der zu steuernden
Vorrichtung (die nicht gezeigt ist) zugeführt, die beispielsweise eine
Ventilpositioniervorrichtung der Membranbauart sein kann. Der Ausgangsdruck
wird sich auf einen im wesentlichen konstanten Wert stabilisieren,
wenn die aufwärts
gerichtete Kraft, die auf die Membrananordnung 8 einwirkt,
durch den Luftdruck in der Kammer 10 die abwärts gerichtete
Kraft ausgleicht, die auf sie mittels des Luftdrucks in der Kammer 11 und
der Feder 13 einwirkt, während Luft kontinuierlich über den
Wandler von dem Einlass 3 zu dem Ausströmungsschlitz 38 mit
einer mehr oder weniger konstanten geringen Rate strömt. Als
solches wird der Druck in der Kammer 10 den Druck in der Kammer 11 um
eine Größe überschreiten,
die proportional zu der durch die Feder 13 ausgeübten abwärts gerichteten
Kraft ist. Typischerweise wird dies in der Größenordnung von 1 psi sein.
-
Es sei nun angenommen, dass ein elektrisches
Eingangssignal der Spule 31 zugeführt wird. Die Spule 31 wird
zusammen mit dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 abwärts angezogen,
woraufhin der Spalt zwischen dem zentralen Abschnitt 29 des
Biegeteils 27 und dem Auslaß 19 sich verringert,
woraufhin die Rate der Luftströmung
von dem letzteren sich verringert. Somit erhöht sich der Gegendruck in der
Düsenanordnung 16/ Kammer 11, wodurch
die Membrananordnung 8 sich abwärts bewegt und diese die Kugel 6 weiter
von dem Sitz 5 versetzt, so dass ein höherer, stabilisierter Ausgangsdruck
an dem Anschluss 15 bereitgestellt wird.
-
Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt
einen Ausgangsdruck an dem Anschluss 15 bereit, der linear
proportional zu dem der Spule 31 zugeführten elektrischen Eingangssignal
ist, d. h. je höher
das elektrische Eingangssignal ist, umso höher wird der Druckausgang. Üblicherweise
wird bei Verwendung das elektrische Eingangssignal entsprechend
den üblichen
Standards, beispielsweise zwischen 4 mA für den minimalen Arbeitsausgangsdruck
bis zu 20 mA für
den maximalen Arbeitsausgangsdruck variieren. Der Wandler kann geeignet durch
Justieren der Größe des Abstands
zwischen dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 und dem
Auslaß 19 kalibriert
werden, während
das elektrische Eingangssignal bei dessen minimalen Arbeitswert
(beispielsweise 4 mA) liegt, bis der gewünschte minimale Arbeitsdruckausgang
an dem Anschluss 15 erzielt wird. Diese sogenannte "Null"-Justierung des Wandlers
kann sehr einfach durch Rotieren der Düsenanordnung 16 unter
Verwendung einer Spannvorrichtung ausgeführt werden, die seitlich über einen
in dem Körperabschnitt 9 gebildeten
Schlitz 41 in Eingriff mit benachbart zu dem unteren Ende
der Düsenanordnung 16 gebildeten Flachstücken (flats) 42 eingesetzt
wird, woraufhin aufgrund deren Schraubeingriffs mit dem Polstück 21 die
Düsenanordnung 16 und
insbesondere der Auslaß 19 sich
zu dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 hinbewegt
oder sich davon wegbewegt, bis der gewünschte minimale Arbeitsausgangsdruck
verwirklicht ist.
-
Gemäß einer alternativen, weniger
bevorzugten Anordnung (die nicht gezeigt ist), kann die Null-Justierung
des Abstands zwischen dem Düsenauslaß 19 und
dem Biegeteil 27 durch eine durch den Anwender zu justierende
Einrichtung bewirkt werden, die auf der Oberseite des zentralen
Abschnitts 29 des Biegeteils 27 vorhanden ist,
und die die Position des zentralen Abschnitts 29 justiert,
wenn das elektrische Eingangssignal sich auf dessen minimalen Arbeitswert
von beispielsweise 4 mA befindet. Anders ausgedrückt bewegt diese Art der Justierung
den zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 relativ
zu dem Auslaß 19,
anstelle dass dieses umgekehrt geschieht.
-
Obwohl der vorstehend beschriebene
Wandler im allgemeinen wie der bekannte I/P-Wandler funktioniert,
weist diese eine Anzahl neuer Entwurfsmerkmalen auf, die, wenn entweder
alleine oder in Kombination bei einem I/P-Wandler gemäß der Erfindung verwendet werden,
gewisse Vorteile bieten. Von diesen Merkmalen sind nachstehend einige
besonders erwähnt.
- 1. Die Verbindung zwischen den Kammern 10 und 11 ist
lediglich eine Bohrung 12 anstelle einer getrennt gebildeten
Beschränkungseinrichtung
(restrictor), wie es bisher in I/P-Wandlern verwendet wird, bei
dem es sich um ein Präzisionsteil
handelt, das relativ teuer in der Herstellung ist.
- 2. Das Ausgangsdrucksignal an dem Anschluss 15 wird
aus der Membrananordnung 8 entnommen, und nicht von darunter,
wie es üblich
ist. Dies hat den Vorteil, dass das Verhältnis von Eingangssignal zu
Ausgangsdruck linearer ist. Weiterhin tritt eine Verringerung des
Wandlerausgangsdrucks im Ansprechen auf ein niedrigeres elektrisches
Eingangssignal schneller auf, da Luft in der Kammer 11 direkt
und schnell über
den Düsenauslaß 19 und
den Schlitz 18 entweichen kann, ohne dass sie durch die
kleine Bohrung 12 hindurchgelangen muss.
- 3. Der Schraubengewindemechanismus zur Bewirkung einer Null-Justierung
des Wandlers ist einfacher und genauer als die bisher bekannten und
verwendeten Anordnungen.
- 4. Der durch den Sitz 5, die Kugel 6 und den
Stift 7 aufgebaute Ventilmechanismus ist einfacher und
kostengünstiger
in der Herstellung als die sogenannte "Zapfenventil-" (pintel-valve) Anordnung, die bisher üblicherweise
verwendet wird.
- 5. Da der Wandler mehr die Natur eines Hilfssteuerungsventils
(pilot valve), d. h. Ventil mit niedriger Strömung aufweist, im Gegensatz
zu einem Vollströmungswandler,
kann die Membrananordnung 8 einen einfachen Aufbau, wie
es in der Zeichnung dargestellt ist, anstelle einen doppelten Aufbau
aufweisen. Dies trägt
zur Kompaktheit der Anordnung bei und weist Vorteile im Hinblick
auf die Kosten auf.
- 6. Die Anordnung der ringförmigen
Spule 31 und des Ausströmungsauslaßes 19 auf
derselben unteren Seite des Biegeteils 27 ist von besonderem Vorteil,
was im Vergleich zu bekannten Entwürfen zu einer kompakteren und
stabileren Anordnung führt.
- 7. Die Anwendung insbesondere der Merkmalen, auf die sich in
den Absätzen 1, 3 und 5 bezogen wird,
führt zu
weniger Teilen als in herkömmlichen I/P-Wandlern
vorhanden sind, wie dies bei der Verwendung des Biegeteils 27 der
Fall ist, das einen einstückig
anstelle eines getrennt geformten zentralen Klappenabschnitts 29 aufweist,
und dies bei Verwendung einer spulenkörperlosen Spule 31 der
Fall ist.
- 8. Der Ausgangsdruck ist relativ unempfindlich gegenüber einer
Fluktuation in dem Zufuhrdruck. Dies liegt daran, dass die Fläche der
Bohrung 4'' relativ klein
im Vergleich zu der Fläche
der Membrananordnung 8 ist.
-
Weiterhin wurde gefunden, dass der
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschriebene Wandler ein sehr
gutes Vibrationsverhalten aufweist und dies durch Verwendung einer
starken Permanentmagnetanordnung 22, einer spulenkörperlosen
Spule 31, die deshalb eine geringe Masse aufweist, und
ein steifes Biegeteil 27 optimiert werden kann. Eine Folge
davon ist jedoch, dass ein Hochfrequenzresonanzproblem auftreten
kann, jedoch kann dies leicht durch Anschluss eines Kondensators
(der nicht gezeigt ist, der jedoch an die Schaltungsplatine 34 angebracht
kann) parallel zu der Spule 31 gelöst werden kann. Außerdem ist
es durch Optimierung des Vibrationsverhalten durch Verwendung von
insbesondere eines steifen Biegeteils 27 für den Hersteller möglich, das
Instrument zu kalibrieren, und es sollte für den Anwender unnötig sein,
es während
der Inbetriebnahme erneut zu kalibrieren.
-
Die Empfindlichkeit und der Energieverbrauch
des vorstehend beschriebenen Wandlers kann deutlich verbessert werden,
indem der Durchmesser des Ausströmungsauslaßes 19 verringert wird
und/oder indem ein dünner
Draht für
die Spule 31 verwendet wird, wodurch für dieselbe Größe der Spule
mehrere Wicklungen verwendet werden können. Dies erhöht den elektrischen
Spulenwiderstand, weshalb für
einen gegebenen Eingangssignalstrom der Spannungsabfall über die
Spule größer sein
wird, was besser zu der elektronischen Schaltung passt, die üblicherweise
zur Erzeugung des elektrischen Eingangssignals verwendet werden,
der den Betrieb der beschriebenen Bauart der I/P-Wandler steuert. Durch
Durchführung
dieser Justierungen, wurde es für
die Erfinder möglich,
einen I/P-Wandler gemäß der Erfindung
aufzubauen, der einen Energieverbrauch von nur 1 bis 2 mW aufweist,
was deutlich niedriger als der Verbrauch der gegenwärtig verfügbaren Wandler
ist. Als solches sollte es durch ein optisches primäres Signal über einen
geeigneten opto-elektrischen Wandler gespeist werden, das beispielsweise über eine
optische Glasfaser übertragen wird.
-
Eine weitere Verringerung des Energieverbrauchs,
wobei andere Dinge gleich bleiben, kann unter Verwendung eines bipolaren
Eingangsstromsignals anstelle der Verwendung eines unipolaren Signals
erzielt werden. Beispielsweise kann in dem Fall, dass ein unipolares
Signal mit 1 mA zum Erhalt des gewünschten erhöhten Ausgangsdrucks erforderlich ist,
dasselbe Ergebnis durch Zuführen
eines bipolaren Signals erzielt werden, das zwischen –0,5 mA und
+0,5 mA variiert. Wie für
den Fachmann klar ist, wird die bei Anwendung eines derartigen bipolaren Signals
verbrauchte Energie etwa 1/4 der bei Anwendung von einem unipolaren
Signal von 1 mA verbrauchten Energie sein. Üblicherweise wird das externe
Eingangssignal unipolar sein, jedoch kann irgendeine einfache elektronische
Schaltung verwendet werden (die beispielsweise in dem I/P-Wandler selbst
integriert ist) zur Umwandlung eines unipolaren Signals in ein bipolares
Signal verwendet werden.
-
Es ist für I/P-Wandler wünschenswert,
bei demselben Eingangssignal einen vorbestimmten Ausgangsdruck ungeachtet
der Position, d. h. der Orientierung zu erzeugen, in der er installiert
ist. Das heißt,
dass es wünschenswert
ist, dass der Betrieb eines I/P-Wandlers positionell unabhängig ist.
Der I/P-Wandler gemäß den 1 und 2 ist jedoch positionell abhängig, wobei
bei einem gegebenen Eingangssignal die Variation des Ausgangsdrucks
des Wandlers bei Einbau in unterschiedlichen Richtungen beispielsweise
unter Verwendung eines Streifenbiegeteils minimiert werden kann,
wie es vorstehend beschrieben worden ist.
-
Der Grund für diese positionelle Abhängigkeit
besteht darin, dass aufgrund der Einwirkung der Schwerkraft auf
die Masse der Spule 31 insbesondere der Abstand zwischen
dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 und
dem Düsenauslaß 19 in
Abhängigkeit
von der Orientierung von dem Wandler variiert, wobei andere Dinge
gleich bleiben. Somit würde,
falls der Wandler von dessen normaler aufrechten Position wie gemäß 1 und 2 verändert
würde,
dieser Abstand sich erhöhen
und der Ausgangsdruck würde
ungeachtet der Anwendung desselben Eingangssignals der Spule 31 abfallen.
-
Eine positionelle Unabhängigkeit
kann im wesentlichen durch Anwendung von einem oder anderen der
in 3 und 4 der beiliegenden Zeichnung gezeigte
Anordnungen erzielt werden, in denen Teile, die ähnlich zu 1 und 2 sind,
dieselben jeweiligen Bezugszeichen aufweisen.
-
Gemäß 3 ist die Masse der Spule 31 mehr
oder weniger exakt durch eine Masse 43 ausbalanciert, die
am Ende eines Balkens 44 befestigt ist, der drehbar an
einem Drehgelenk 45 befestigt ist. Das andere Ende des
Balkens 44 ist durch eine Verbindung 46 mit der
oberen Oberfläche
des zentralen Abschnitts 29 des Biegeteils 27 angebracht.
-
Dementsprechend wird der Abstand
zwischen dem zentralen Abschnitt 29 des Biegeteils 27 und
dem Düsenauslaß 19 im
wesentlichen konstant bleiben, ungeachtet der Orientierung des Wandlers, wobei
andere Dinge gleich bleiben.
-
Gemäß 4 wird die Masse der Spule 31 in ähnlicher
Weise ausbalanciert, jedoch in diesem Fall durch eine zweite identische
Spule 31',
die einem identischen Biegeteil 27', einer Permanentmagnetanordnung 22' und einem Düsenteil 16' zugeordnet
ist. Diese Anordnung weist den weiteren Vorteil auf, dass durch
gleichzeitiges Zuführen
desselben Eingangssignals jedoch der entgegengesetzte Polarität zu den Spulen 31 und 31' der Energieverbrauch
etwa nur halb so groß ist
wie derjenige, der zur Erzeugung eines gegebenen Ausgangsdrucks
unter Verwendung der Anordnung gemäß den 1, 2 und 3 mit einer einzelnen Spule
erforderlich ist. Der Energiewirkungsgrad kann weiter durch Verwendung
eines bipolaren Eingangssignals wie vorstehend beschrieben verbessert
werden. In der Tat kann durch die Verwendung der Anordnung gemäß 4 in einem Wandler, der
andernfalls in den 1 und 2 dargestellt ist, der Energieverbrauch
unter Verwendung eines bipolaren Eingangssignals etwa auf 1/8 von
demjenigen des Wandlers gemäß den 1, 2 und 3 verringert
werden, d. h. in der Größenordnung
von 250 mW.
-
5A und 5B zeigen eine alternative,
kompakte Biegeteilanordnung zur Bereitstellung eines I/P-Wandlers
gemäß der Erfindung,
und insbesondere eines wie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben,
das positionell unabhängig
und ebenfalls gegenüber
Vibrationen sehr unempfindlich ist. Dabei sind an gegenüberliegenden
Bereiche des Randabschnitts 28 des Biegeteils 27 fest
an ihre obere Oberflächen
die gegenüberliegenden
Enden eines Paares metallischer Streifen 47 und 48,
beispielsweise aus Phosphor-Bronze befestigt, die von dem Biegeteil
beabstandet sind und sich leicht in radialer Richtung (relativ zu
der Ebene des Biegeteils 27) biegen können, die jedoch in Bezug auf
Torsion stabil sind. An einem zentralen Bereich jedes Streifens 47 und 48 sowie
dieses überbrückend sind
ein unteres Paar flexibler Metallstreifen 49 und 49' sowie ein oberes
Paar flexibler Metallstreifen 50 und 50' fest angebracht,
die ebenfalls beispielsweise aus Phosphor-Bronze hergestellt sind. Jedes der unteren
und oberen Streifenpaare 49, 49' sowie 50 und 50' sind zentral
durch integrale Querteile 51 und 52 jeweils überbrückt.
-
Das untere Querteil 51 ist
starr mit der oberen Oberfläche
des zentralen Abschnitts 29 des Biegeteils 27 durch
einen Stift 53 verbunden, wohingegen das obere Querteil 52 fest
eine Masse 54 stützt, die
im wesentlichen gleich zu der Masse der Spule 31 ist, die
durch das Biegeteil 27 gestützt wird. Wie aus 5B hervorgeht, ist jeder
der unteren Streifen 49 und 49' im Seitenaufriss V-förmig, wohingegen
die Streifen 50 und 50' aus einer umgekehrten V-Form hergestellt
sind. Die vorstehend beschriebene Anordnung bildet ein ausbalanciertes
Paar, in dem die Position des zentralen Abschnitts 29 des
Biegeteils 27 bei einem gegebenen Eingangssignal im wesentlichen
konstant ungeachtet der Orientierung des I/P-Wandlers verbleibt.
Dadurch ergibt sich ebenfalls, dass der Ausgangsdruck im wesentlichen
unempfindlich gegenüber
Vibrationen bei den meisten Frequenzen bleibt, die leicht in der
Praxis auftreten können.
-
Wie es vorstehend beschrieben ist,
sind die Streifen, aus denen das Paar besteht, vorzugsweise aus
Phosphor-Bronze hergestellt, und diese können einstückig miteinander beispielsweise
durch bekannte chemische Frästechniken
gebildet werden. Das Biegeteil 27 und das Paar kann als
eine vollständig einstückige Einheit
unter Verwendung derartiger Techniken hergestellt werden.
-
Obwohl für viele Anwendungen die vorstehend
beschriebenen Wandler ausreichend genau sein werden, kann ihre Genauigkeit
durch Bereitstellung einer Regelung unter Verwendung eines Ausgangsdruckwandlers
und einer geschlossenen Rückkopplungsstreife
entsprechend bekannten Anordnungen verbessert werden. Da, wie es
vorstehend beschrieben worden ist, der Wandler einen sehr niedrigen
Energieverbrauch haben kann, würde
das meiste der Energie des elektrischen Eingangssignals von 4 bis
20 mA zur Speisung der Regelungselektronik verfügbar sein, wodurch der Entwurf
des letzteren flexibler wird und insbesondere "Smart-" und "Fieldbus-" Merkmale eingesetzt werden können.