DE7538863U - Elektropneumatischer stellungsregler - Google Patents

Description

Anmelder: Max von Rohr AG., CH-4132 Muttenz 2, Fichtenhagstr.4 ___^__ Schweiz

Elektropneuinatischer Stellungsregler

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektropneumatischen Steilungsregler für die Kopplung von pneumatischen Stellantrieben mit elektrischen Reglern bzw. Steuereinrichtungen, wobei die elektrische Aurgangsgröße der letzteren Einrichtungen die Führungsgröße für den mit Kraftvergleich arbeitenden Stellungsregler darstellt, die mittels eines Drehspul-Magnet-Systems mit Tauchspule in ein Drehmoment umgesetzt und mit der ebenfalls in ein Drehmoment umgesetzten Istgröße, der Stellung der Antriebsstange des Stellungsreglers, verglichen wird und wobei ausgangsseitig unter Zwischenschaltung eines Düsen-Prallplatten-Systems und eines Verstärkers ein Stelldruck erzeugt wird. Ein solcher elektropneumatischer Stellungsregler bildet also zusammen mit den pneumatischen Stellantrieben und mit den elektrischen Reglern bzw. Steuereinrichtungen wie Rechnern für die Prozeßsteuerung einen Regelkreis. Er kann Anwendung finden z.B. bei der

bzw. -regelung
Prozeßsteuerung .von chemischen Anlagen.

Ein derartiger Stellungsreglar ist beispielsweise bekannt aus den VDI/VDE-Richtlinien 2177 vom Juli 1970. Der Aufbau eines Regelkreises mit diesem Stellungsregler und mit Umsetzung des Istwertes mittels einer Kurvenscheibe und mit elektrisch oder mechanisch ausgeführter Vergleich^stelle sowie mit Düsen-Prallplatten-System und pneumatischem Verstärker, der den Stelldruck erzeugt, ist allgemein bekannt (lediglich beispielsweise wird auf die Zeitschrift Regelungstechnik Heft 1 (17. Jahrgang 1969) Seiten 9 und 11 sowie auf das Typenblatt 3044, Ausgabe 9/68 der Firma Gulde-Regelarmaturen KG, Ludwigshafen-Oggersheim verwie- ^! sen). Innerhalb solcher Regelkreise ist es wünschenswert, z.B. bei Einsatz eines Prozeßrechners, mit dem elektrischen Ausgang

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des elektrischen Reglers unmittelbar auf den elektropneumatischen Stellungsregler gehen zu können. Dieser Wunsch steht einerseits im Widerspruch zum ebenfalls erforderlichen Explosionsschutz, insbesondere bei chemischen Anlagen, und andererseits sind die üblichen elektrischen Systeme erschütterungs- und lageempfindlich. Der vorgenannte elektropneumatisch^ Stellungsregler de>" Firma Gulde-Regelarmaturen besitzt zwar einen elektronischen Vergleicher und keine Tauchspule und ist somit erschütterungsunempfindlich; aber er benötigt elektrische Hilfsenergie für den elektrischen Teil und besitzt eine geringe elektrische Verstärkung und eine hohe pneumatische Verstärkung, während eigentlich eine hohe elektrische Verstärkung und eine relativ geringe pneumatische Verstärkung anzustreben sind. Wegen der elektrischen Werte für die Hilfsenergiequelle sind die elektrischen Teile außerhalb des explosionsgeschützten Bereiches anzuordnen oder innerhalb eines Gießharzblockes.

Gegenüber hintereinandergeschalteten elektropneumatischen Umformern und pneumatischen Stellungsreglern bietet ein elektropneumatischer Stellungsregler insbesondere regelungsdvnamische Vorteile wegen seines günstigeren Zeitverhaltens. Elektropneumatische Stellungsregler haben allgemein betrachtet folgende Vorteile:

- Sie ermöglichen eine gleichsinnige (normale) und eine gegensinnige (reversierta) Zuordnung der Richtung sowohl von Führungsgröße (Steuerstrombereich von 0-20 mA bzw. 4-20 mA) und Antriebsstange als auch von Führungsgröße und Stelldruck.

- Ihre hohe Luftleistung bringt kurze Stellzeiten,· der bis auf 6 bar anhebbare Stelldruck große Stellkräfte der Antriebe.

- Die vorgenannte Zuordnung von Antriebsstellung und Führungsgröße ist eindeutig. 'Ventilrückwirkungen, ζ.Β. infolge von

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Stopfbuchsreibung oder schwankendem Produktdruck, werden sofort eliminiert und dadurch unter Umständen langanhaltende Regelkreisschwingungen, insbesondere träger (Temperatur-)Regelstrecken verhindert.

- Die elektropneumatischen Stellungsregler ermöglichen eine Bereichsteilung (split range) der Führungsgröße für den vollen Stellweg eines Antriebes. Der Führungsregler kann dann mehrere Stellgeräte nacheinander betätigen.

- Es ist Gleichlauf- oder Gegenlaufbetrieb mehrerer, von einem Regler gleichzeitig betätigter Stellgeräte möglich.

Der Erfindung liegt ausgehend vom eingangs genannten elektropneumatischen Stellungsregler die Aufgabe zugrunde, bei Verwendung eines Tauchspul-Systems für die Umsetzung der elektrischen Eingangsgröße unter Erhaltung der vorgencinnten Vorteile die Lageempfindlichkeit des Gerätes herabzusetzen.

Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß das Drehspul-Magnet-Systern eine bandgelagerte Wippspule aufweist, die beidseitig ihres Drehpunktes mit sich diametral gegenüberliegenden Auswuchtarmen versehen ist.

In vorteilhafter Weise lassen sich durch Änderung der Lage dieser Arme, Änderung ihrer Masse bzw. Korrektur des Schwerpunktes während der Montage und unter definierten Prüfbedingungen bei verschiedenen Lagen des Drehspul-Magnet-Systems relativ lageunabhängige Betriebseigenschaften herstellen.

Zweckmäßig wird dabei die Prallplatte am Ausgang des Drehspul-Magnet-Systems beidseitig gleichmäßig durch die Düsen eines Manometers beansprucht. Unter Prüfung verschiedener Lagen des

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Systems werden die Auswuchtarme bei Abweichung der Manometeranzeige zweckmäßig unterschiedlich mit Lötzinn versehen.

Vorzugsweise sind die Spulenenden der Wippspule symmetrisch bzw. in gleichen, regelmäßigen Drahtschlaufen zu einer Anschlußplatte geführt. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß die mit Festlegung der Auswuchtarme bzw. Auswuchtgewichte erreichte Gleichgewichtslage nicht gestört wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.Es zeigen:

Fig. 1 einen elektropneumatischen Stellungsregler mit

Eingang für die Führungsgröße und ausgangsseitig angeschlossenem pneumatischem Stellantrieb,

Fig. 2 den Anschluß des elektropneumatischen Stellungsreglers an einen elektrischen Regler,

Fig. 3 entsprechend Fig. 2 den Anschkiß des Stellungsreglers bei Einsatz im explosionsgefahrdeten Bereich,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Drehspul-Magnet-System mit Wippspule in Richtung der Drehachse gesehen,

13. 3. 7β

Fig. 5 eine Seitenansicht des Systems nach Fig. 4

Fig. 6 die Ansicht des Drehspul-Magnet-Systems nach Fig. von unten, jedoch in geändertem Maßstab,

Fig. 7 eine Ansicht analog Fig. 6 und

Fig. 8 eine Messungam Drehspul-Magnet-Systern zwecks Lagestabilisierung .

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Gemäß Fig. 1 ist ein elektropneumatischer Stellungsregler 1

Teil eines an einen Stellantrieb 2 angeschlossen. Als/Stellungsmeldersdient eine Kurvenscheibe 3, die mit einer Abtastrolle 4 zusammenarbeitet. Die Abtastrolle 4 ist ihrerseits Bestandteil eines Hebel-Feder-Systems, das die Istgröße in Form einer gegen die Kraft einer Meßfeder 6 gerichteten Kraft - bzw. in Form eines Drehmomentes - auf die Prallplatte 7 überträgt. Die Prallplatte 7 arbeitet einerseits mit. zwei gegensinnig geschalteten Düsen 8 und 9 zusammen und ist andererseits an einer Wippspule 10 eines Drehspul-Magnet-Systems gehalten. Die Wippspule 10 erhält von einem Regler (nicht dargestellt) die Führungsgröße w.

Das Düsen-Prallplatten-System besitzt ausgangsseitig einen pneumatischen Umschalter 11, der an den Mischpunkt 12 eines pneumatischen Verstärkers 13 angeschlossen ist. Die Stellgröße y am Ausgang des pneumatischen Verstärkers 13 liegt in Form eines Stelldruckes vor und wird auf den Stellantrieb 2 übermittelt. In der Zuluftleituug 14 zum pneumatischen Verstärker 13 befindet sich eine Verzweigungsstelle 15, die über eine Vordrossel 16 mit der Mischstelle 12 verbunden ist.

Der elektropneumatische Stellungsregler nach Anspruch 1 hat folgende Wirkungsweise: Der Stellungsregler 1 arbeitet nach dem Kraftverglexchsprinzip. Die Stellung χ der Antriebsstange wird von einem Mitnehmerhebel abgegriffen, über Kurvenscheibe 3 und Abtastrolle 4 auf das Hebel-Feder-System 5 mit Meßfeder 6 übertragen und in ein Drehmoment umgesetzt, welches mit dem Drehmoment der Führungsgröße/,erzeugt von dem Drehspul-Magnet-Systern, verglichen wird. Das Drehspulsystem ist auch für eigensichere Stromkreise geeignet. Die veränderbare Hebelübersetzung zwischen dem Führungsnxxnent und dem Drehmoment der Meßfeder 6 gibt die Möglichkeit, den Hubbereich des Antriebs dem ganzen Bereich der Führungsgröße w oder einem Teilbereich anzupassen. Der Gleichgewichtszustand wird von Düse 8 bzw. 9 und Prallplatte 7 abge-

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tastet. Bei Ungleichheit der Drehmomente wird der nachgeschaltete Verstärker 13 sojweit ausgesteuert und der Antrieb 2 scjweit bewegt, bis sich wieder Momentengleichheit einstellt. Der Membran-Druck- und Mengenverstärker 13 ist für große Luftlieferung an seinem Ausgang ausgelegt. Bei kleinen Aussteuerungen aus der Gleichgewichtslage arbeitet er als Drosselverstärker mit der Vordrossel 16, bei großen Aussteuerungen gibt er hingegen sehr rasch die vollen Ein- und Auslassquerschnitte frei. Der Luftverbrauch kann beispielsweise bei 1,4 bar Zuluft 200 Nl/h betragen und nimmt bei 6 bar auf 450 Nl/h zu.

einer

Durch Umschaltung des Schalters 11, der in Form/mit 2 Anschlußschläuchen versehenen Wendeplatte ausgeführt sein kann/ läßt sich der Stellungsregler 1 beispielsweise für den direkten (Position A) oder inversen Betrieb (B) benutzen. Entsprechend ist entweder die Düse 9 oder die Düse 8 mit dem Eingang des Verstärkers 13 verbunden. Demgemäß kann entweder eine Seite A oder eine Seite B der Kurvenscheibe 3 benutzt werden. Der einfach wirkende Stellungsregler 1 kann durch Umsetzen des vorhandenen Verstärkers 13 druckreversiert werden. in Tabelle 1 sind die möglichen Betriebsweisen des Stellungsreglers 1 dargestellt. Dabei sind Stellungsregler 1 und Stellantrieb 2 linksseitig mit üblichen Symbolen dargestellt. Mit P ist dpr Normaldruck, mit P der reversierte Druck bezeichnet. Unter der Bezeichnung ""Wendeplatte "ist dargestellt, welche Schlauchanschlüsse A bzw. B vorzunehmen sind, in der Spalte"Kurvenscheibe¹,¹ welche Kurvenseite 1a bzw. 1b zu benutzen ist.

die
Gehäuse und Deckel sowie/Kappe des Verstärkers 13 sind aus Aluminiumlegierungen hergestellt, die Innenteile überwiegend aus rostfreiem Stahl und vernickelten Kupferlegierungen.Der außen angeschraubte Verstärker 13 ist leicht und ohne Demontage irgendwelcher an der Justierung des Stellungsreglers 1 beteiligten Funktionselemente abbaubar und revidierbar und

ist ebenso problemlos ohne aufwendige Neueichung einfach durch Verbindung seiner Druckanschlüsse mit den Leitungen des pneumatischen Systemes wieder zu montieren.

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Im Normalbetrieb ist der Stellungsregler 1 (vgl. Fig. 2) direkt mit dem Regler (nicht dargestellt) polrichtig verbunden.Für eine Bereichsteilung oder einen Gleichlaufbetrieb werden die Stellungsregler 1 in Reihe in den Stromkreis gelegt.

Bei Betrieb des Stellungsreglers 1 im explosionsgefährdeten Bereich, (Fig. 3 - Zone 1) muß er an einen Regler mit eigensicherem Ausgang oder über eine Sicherheitsbarriere 17, die sich mit einem Regler ohne eigensicheren Ausgang Sm nicht explosionsgef ährdeten Bereich befindet, angeschlossen werden. Die Eingänge in dia Sicherheitsbarriere 17 sind mit 18 und 19, die Eingänge in dem expfcsionsgefährdeten Bereich sind mit 20 bis 22 bezeichnet; liniert ist die Grenze zum explosionsgef ährdeten Bereich eingetragen. Der Stellungsregler 1 besitzt ein Gehäuse, das mit einer Schraube zum Anschluß einer Potentialausgleichsleitung 23 bei Betrieb in explosionsgefährdeten Anlagen ausgerüstet ist.

Aus Fig. 4 ist das Drehspul-Magnet-System mit einer bandge-

§in ., ■■- ^a. ^ ■ *. . eresti-

gungsbügel 24 mit Fläpper 25 angeschraubt. Die Spule 10 ist über ein Bandlager 26 mit Drehpunkt 27 um denselben wippbeweglich gehalten. - In Fig. 4 ist die über dem Bandlager 26 und am Befestigungsbügel 24 befestigte Prallplatte 7 zwecks besserer Darstellung fortgelassen. Ihre Lage ist aus Fig. 5 ersichtlich. Die Wippspule 10 taucht in die Polspalte 28 zweier Magnete 29, die ihrerseits aus Bügelmagneten 29' und 29'' bestehen, die jeweils ungleichjlange Polenden besitzen und mittels eines Distanzrohres 30 zueinander fixiert und ausgerichtet sind. Die Magnete 29 sind durch Führungsstangen 31 zwischen zwei _Ä Seitenwinkeln 32 gehalten. Die Führungsstangen 31 sind zu diesem Zweck mit Muttern 34 versehen. Auf den Seitenwinkeln 32 befindet sich ein Deckel 33. Der in der Zeichnung linke * J Seitenwinkel 32 ist mit einer Anschlußplatte 34afür die elektri-3. sehen Anschlüsse ausgerüstet./Fig. 5 zeigt allein das Spulensystem mit Befestigungsbügel 24, Bandlager 26 und Prallplatte

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An einer Anschlußplatte 35 sind symmetrisch zum Bandlager 26 bzw. zum Drehpunkt 27 Auswuchtarme 36 befestigt, deren genaue Lage auch aus der Ansicht des Spulensystems mit Magneten 29 und Seitenwinkeln 3 2 in Fig. 6 hervorgeht. Fig. 6 ist eine Montagezeichnung, d.h. die Spulen- bzw. Tragenden 37 der Wippspule ΊΟ sind noch nicht an die Anschlußplatte 35 (vgl. Fig. 5) angeschlossen. In dieser Form wird das Drehspul-Magnet-System mit seiner Pra]lplatte 7 liegend an ein Prüfmanometer 38 angeschlossen (Fig. 8). Das Manometer 38 ist über Schläuche 39 und 40 mit den Düsen 8 bzw. 9 verbunden. Die Drahteiden 37 sind

die dabei leicht miteinander verlötet, um .Messung nicht zu

stören. In L is^r Prüfung werden die Düsen 8 und 9 so eingestellt, daß das Manometer 38 bzw. die Manometer bei Mittellage der Prallplatte 7 einen ausgeglichenen Drüsendruck anzeigen.

In dieser Prüfstellung verbleibt das Drehspul-Magnet-System für den Auswuchtvorgang. Bei diesem Vorgang wird das System nacheinander in z.B. sechs verschiedene Lagen (mögliche spätere Einbaulagen) gebracht und unter Beachtung der Manometeranzeige wird ggf. auf die Auswuchtarme, die mit speziellen Ösen versehen sein können, Lötzinn aufgetragen.

Danach erfolgt das Anlöten der Spulenenden 37. Zu diesem Zweck wird die Anschlußplatte 3 5 am Drehspul-Magnet-System befestigt (Fig. I)₁ die Spulenenden 37 werden durch vorgebohrte Löcher gesogen und an den Stellen 41, 42 mit entsprechenden Leiterbahnen 43 bzw. 44 verlötet. Dabei werden die zuführenden Drahtschlaufen jeweils in gleicher Weise geformt und kommen - außer an der Lötstelle - nicht mit der Spule 10 oder der Anschlußplatte 35 in Berührung.

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Vergleichsmessungen mit anderen handelsüblichen elektro-pneumatischen Stellungsreglern haben ergeben, daß die Lageempfindlichkeit beim erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen Stellungsregler

überraschend klein ist. Unter Messung von sechs verschiedenen Lagen wurde-jeweils bei einem bestimmten Hub der Antriebsspindel des Stellantriebes-lediglich eine maximale Abweichung von 1,5 % gegenüber einer Abweichung von über 5 % bei vergleichbaren Geräten festgestellt. Mit Sicherheit liegt daher die Lageempf?ndlichkeit bzw. die vorerwähnte Abweichung beim erfindungsgemäßen elektropneumatischen Stellungsregler auch bei Serienherstellung weit unterhalb von 2 %.

Unter diesen Voraussetzungen läßt sich der elektro-pneumatische Stellungsregler 1 vorteilhaft auch auf ein genaues Arbeiten bei kleinen Aussteuerungen aus der Gleichgewichtslage einstellen. Bei kleinen Aussteuerungen arbeitet der Verstärker 13 des elektropneumatischen Stellungsreglers 1_rwie bereits beschrieben, mit Hilfe der Vordrossel 16 als Drosselverstärker.

Weiterhin werden durch die weitgehende Ausschaltung der Lageempfindlichkeit auch Regelkreisschwingungen vermieden, deren Ursache in dieser Störgröße liegt.

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Claims (4)

Ansprüche

1. Elektro-pneumatischer Stellungsregler für die Kopplung von pneumatischen Stellantrieben mit elektrischen Reglern bzw. Steuereinrichtungen, wobei die elektrische Ausgangsgröße der letzteren Einrichtungen die Führungsgröße für den mit Kraftvergleich arbeitenden Stellungsregler darstellt, die mittels eines Drehspul-Magnet-Systems mit Tauchspule in ein Drehmoment umgesetzt und mit der ebenfalls in ein Drehmoment umgesetzten Istgröße, der Stellung der Antriebsstange des Stellungsreglers, verglichen wird und wobei ausgangsseitig unter Zwischenschaltung eines Düsen-Prallplatten-Systems und eines Verstärkers eir Stelldruck erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das L. ihspul-Magnet-System eine bandgelagerte Wippspule (10) aufweist, die beidseitig ihres Drehpunktes (27) mit sich diametral gegenüberliegenden Auswuchtarmen (3 6) versehen ist.

2. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswuchtarme (36) zur Lagestabilisierung der Wippspule

(10) mit Lötzinn versehen sind.

3. Stellungsregler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenenden (37) symmetrisch bzw. in gleichen, regelmäßigen Drahtschlaufen zu einer Anschlußplatte (3 5) geführt sind.

4. Stellungsregler nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (13) eingangsseitig mit

einer Vordrossel (16) ausgerüstet ist. j

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