EP2258952A2 - Pneumatischer Stellungsregler mit piezopneumatischer Ventileinheit - Google Patents

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EP2258952A2
EP2258952A2 EP10005741A EP10005741A EP2258952A2 EP 2258952 A2 EP2258952 A2 EP 2258952A2 EP 10005741 A EP10005741 A EP 10005741A EP 10005741 A EP10005741 A EP 10005741A EP 2258952 A2 EP2258952 A2 EP 2258952A2
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EP
European Patent Office
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valve
positioner
pneumatic
valves
housing
Prior art date
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EP10005741A
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English (en)
French (fr)
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EP2258952B1 (de
EP2258952A3 (de
Inventor
Max Schrobenhauser
Marcus Grödl
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Hoerbiger Flow Control GmbH
Original Assignee
Hoerbiger Automatisierungstechnik Holding GmbH
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Publication date
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Publication of EP2258952A3 publication Critical patent/EP2258952A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/0401—Valve members; Fluid interconnections therefor
    • F15B13/0405—Valve members; Fluid interconnections therefor for seat valves, i.e. poppet valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B2013/002—Modular valves, i.e. consisting of an assembly of interchangeable components
    • F15B2013/006—Modular components with multiple uses, e.g. kits for either normally-open or normally-closed valves, interchangeable or reprogrammable manifolds

Definitions

  • the present invention relates to a piezopneumatic valve unit and a pneumatic positioner with a pneumatic working member and acting on this piezopneumatische valve unit, which comprises two pneumatically coupled piezopneumatische with each other, wherein the valve unit has a signal input for an electrical control signal and a connectable to a compressed gas supply supply input, a having at the pneumatic working member connected working output and a vent outlet for the working medium (eg air). Furthermore, the invention relates to a method for adjusting or modifying the fail-safe behavior of such a pneumatic positioner or such a piezopneumatic valve unit.
  • Such positioners advantageously serve to displace or pivot an actuator connected to the working member to thereby provide e.g. to regulate a valve or damper position.
  • Generic positioners are usually constructed so that the working member is moved in a failure of the electrical (auxiliary) energy in a selected end position, wherein the end position of the working member defined by the structurally predetermined fluidic connection of the valves and their structure is. Positioners with different fail-safe behavior are therefore characterized overall by a different structural design. This proves to be particularly complicated or problematic if in a product range more positioner of the type mentioned with different fail-safe behavior to be offered or if the fail-safe behavior of a particular positioner should be changed.
  • the object of the present invention a positioner or a piezo-pneumatic valve unit of the type mentioned in such a way that he or she can be adapted in the simplest and most cost-effective manner to a special fail-safe behavior. Accordingly, the intention of the present invention is to provide a method which is as simple and cost-effective as possible for setting or modifying the fail-safe behavior of such a pneumatic positioner or such a piezopneumatic valve unit.
  • valves each have a valve housing and a function-specific valve insert which can be inserted sealingly into a receiving cavity of the respective valve housing with a flow-through switching unit, the valve seat and the actuator interacting therewith being adjustable by means of an adjusting drive Valve body are provided on the switching unit of the valve core and wherein disposed in the valve housing flow channels open in the associated receiving cavity, that with identical valve housing by replacing the valve insert different functional characteristics of the valve in question can be realized.
  • Two pneumatic positioner according to the invention with different fail-safe behavior thus differ exclusively in that at least one of the receiving cavities of the two valve housing of a positioner - opposite the respective receiving cavity of the other positioner - is equipped with a different function-specific valve insert, which by the inventive design the positioner is only possible.
  • each valve insert has at least one - the valve seat and the valve body of the respective valve comprehensive or containing - switching unit, the flow connections are connected at the intended installation in a receiving cavity of the valve housing with opening into the receiving cavity flow channels of the valve housing.
  • Different function-specific valve inserts are therefore advantageously characterized by a different interconnection of flow channels within the switching unit or a different arrangement or position of valve body and valve seat.
  • each valve housing the flow channels opening therein and various function-specific valve inserts are adapted to one another in such a way that different function-specific valve inserts can be sealingly received in each receiving cavity to achieve a different functional characteristic of the respective valve.
  • valve housings of both valves are preferably constructed identically insofar as a function-specific valve insert can equally be used in each of the two valve housings.
  • the flow channels provided in the two valve housings therefore preferably open into the same place in a receiving cavity of identical construction for both valves.
  • a positioner according to the invention can have two different function-specific valve inserts, each defining a different functional characteristic for the valve equipped therewith, which in a first installation configuration (valve insert A in valve I, valve insert B in valve II) define a first fail-safe behavior of the positioner, while in the second possible built-in configuration (valve insert B in valve I, valve insert A in valve II) define a second fail-safe behavior for the positioner, which differs from the first fail-safe behavior is different.
  • the two installation configurations mentioned differ only by an exchange of the two function-specific valve inserts.
  • valves involved which are realized in the context of the present invention by various valve inserts to be inserted into the housing, it is in a particularly advantageous manner to a first functional characteristic, in which the relevant valve automatically transferred in its closed position in the event of power failure is (eg by a biasing the valve body in the direction of the valve seat spring), and a second functional characteristic in which the relevant valve is automatically transferred in the event of power failure in its open position (eg by a valve body in its spaced from the valve seat opening position biasing spring) ,
  • it is therefore particularly preferable to provide at least two different function-specific valve inserts which can equally be inserted into the receiving cavities of the valve housings of both valves and by the function-specifically adapted design of their valves Switching provide the above-mentioned functionality.
  • the two piezopneumatic valves of a positioner according to the invention are actuated separately by means of suitable electrical control signals in a piezoelectric manner, whereby at the same time the most energy-efficient operation of the positioner is ensured.
  • two different control signals for the two adjusting drives of the two piezopneumatic valves are calculated in a suitable and known manner from the electrical control signal arriving at the signal input of the positioner with the aid of a control or regulating electronics (for example a microcontroller) connected to a power supply.
  • the (at least) two valves of a positioner according to the invention in the manner of a two-stage Valve formed in which serving as a precursor and piezoelectrically actuated pilot valve, which in turn is connected to a pressurized gas supply, acts as a (pneumatic) adjustment for the valve body of a downstream booster stage (BoosterVentil).
  • BoosterVentil booster stage
  • Pilot valve and booster valve may preferably be connected to the same, applied to the supply input of the positioner compressed gas supply, wherein the pilot valve is preferably preceded by a pressure limiter, so that any fluctuations in the pressure in the compressed gas supply no or significantly reduced influence on the control or drive function of the Have pilot valve.
  • the valve insert inserted into the receiving cavity of the valve housing thus comprises the switching unit of the (booster) valve whose valve body is adjusted by the piezopneumatic pilot valve functioning as a preliminary stage.
  • the pneumatic working member of a positioner according to the invention may be part of a "single-acting" system with a working chamber connected to the working outlet of the piezopneumatic valve unit.
  • the working member is in this case preferably moved by means of a pressurization of the working chamber against the force of a spring.
  • the valve unit according to the invention forms in this case a 3/3-way system and has for this purpose two pneumatically coupled valves.
  • the adjustable by means of the valve unit working member is part of a "double-acting" system, in which act on the working member from two different sides two individually pressurizable working chambers for its adjustment.
  • the valve unit of a positioner according to the invention in this case has two separate working outputs for each working chamber of the working member and that in such a case a total of four piezopneumatische valves are provided, of which two valves are pneumatically coupled together and assigned to a working output of the valve unit ,
  • the valve unit forms here a 5/3-way system, which is provided according to the invention that each of the four valves - as previously explained - interchangeable in a receiving cavity of the respective valve housing sealingly usable function-specific valve core, whereby the functional characteristics of each of the four valves and thus the fail-safe behavior of the positioner in a particularly simple manner to the desired application of the positioner is adaptable.
  • each valve and the switching unit of the associated valve core form a common, replaceable as a whole assembly.
  • Various function-specific Valve inserts then include as an exchangeable assembly and the adjustment of the valve in question.
  • each valve and the switching unit of the associated valve insert form separate modules, thereby to achieve a different functional characteristics of the valve in question, only the switching unit (with valve body and valve seat) of the valve, but not the adjustment of the valve in question must be replaced.
  • the different valve inserts effecting the different functional characteristics of the respective valve differ only in the scope of the respective switching unit, whereby in particular the adjusting drive can also be of identical design for different function-specific valve inserts.
  • the force acting on the valve body adjusting drive and the switching unit are gas technology decoupled by a means of a membrane separated from the switching unit pneumatic volume, whereby a decoupling of Verstellantriebs wh and switching unit side prevailing operating media and pressures is realized.
  • a decoupling of Verstellantriebs wh and switching unit side prevailing operating media and pressures is realized.
  • an additional (restoring) force to be exerted on the valve body which promotes an automatic stabilization of the positioner against short-term input, drive or output pressure fluctuations.
  • the valve housing of the at least two valves provided in the context of the present invention may be formed by a common valve housing.
  • the common valve housing in the form of a valve housing block having at least one housing cover, having at least two receiving cavities.
  • the at least one housing cover preferably closes the receiving cavities provided in the valve housing block for the valve inserts, whereby after removal of the at least one housing cover or prior to its assembly there is a suitable access to the receiving cavity.
  • valve associated with each receiving cavity each extends into both the valve housing block and in the lid, in which case can be provided in a further preferred manner that the valve associated adjustment - at least partially - is housed in the projecting into the lid portion of the respective receiving cavity.
  • the working outlet of the valve unit communicates with a flow channel interconnecting the two receiving cavities, i. is fluidically connected to this.
  • the present invention initially relates to a pneumatic positioner in the above-explained sense, it should be noted that the features necessary for realizing the inventive success manifest themselves-almost exclusively-in the described embodiment of the piezopneumatic valve unit. Therefore, it is justifiable, the present invention also to a configured in accordance with the aforementioned features piezopneumatic Obtain valve unit for a pneumatic positioner.
  • a valve unit according to the invention comprises two pneumatically coupled piezopneumatic valves, wherein the valve unit has a signal input for an electrical control signal and a supply input connectable to a pressurized gas supply, a connectable to the pneumatic working member of the positioner working output and a vent outlet for the working medium.
  • valve unit is further characterized in that the valves each have a valve housing and a sealing insertable in a receiving cavity of the respective valve housing function-specific valve insert having a flow-through switching unit, wherein the valve seat and cooperating therewith, adjustable by means of an adjustment valve body on the switching unit the valve insert are provided and wherein arranged in the valve housing flow channels open in such a way in the associated receiving cavity, that with identical valve housing by replacing the valve insert different functional characteristics of the valve in question can be realized.
  • the present invention relates to the method described in claim 14 for adjusting or modifying the fail-safe behavior of a pneumatic positioner or a piezopneumatic valve unit according to the invention.
  • the in Fig. 1 schematically represented pneumatic positioner 1 comprises a piezopneumatische valve unit 2 according to the invention, which acts on a pneumatic working member 3.
  • a supply input 4 which can be connected to a pressurized gas supply
  • a working output 5 connected to the working member 3
  • a venting output 6 which is connected to the atmosphere or is suitably mounted, are provided.
  • the presently designed as a single-acting system pneumatic working member 3 of the pneumatic positioner 1 comprises a displaceable within a cylinder 7 against the force of a spring 8 piston 9, which with e.g. a - not shown - flap or a valve can be operated.
  • a spring 8 piston 9 which with e.g. a - not shown - flap or a valve can be operated.
  • a - pneumatic working member 3 whose working chamber 10 is connected to the working output 5 of the piezoelectric valve unit 2.
  • the piezopneumatic valve unit 2 further comprises two piezo-pneumatic valves 11, 12 which are pneumatically coupled together and connected to the working outlet 5 of the Valve unit 2 are connected.
  • the valve 11 shown on the left serves by its connection to the supply input 4 of the valve unit 2 the pressure build-up in the working chamber 10 of the working member 3, while the valve 12 shown on the right serves by its interconnection with the vent outlet 6, the pressure reduction in the working chamber 10.
  • Each of the two valves 11, 12 has exactly one function-specific valve insert 13, 14, wherein the valve inserts 13, 14 with respect to the function-specific design of their respective switching unit 15, 16 differ, as the Fig. 1 and 2 can be seen and will be explained in more detail below.
  • the piezopneumatic valves 11, 12 each include a piezopneumatic precursor 19, 20 which functions as an adjusting drive 17, 18 and is designed identically for both valves 11, 12, with which the respective switching unit 15, 16 (or the valve body 21, 22; , Fig. 2 ) is actuated, as indicated by the dashed arrows 23, 24.
  • Each piezopneumatic pilot valve 19, 20 is connected via a common pressure limiter 25 on the input side to the compressed gas supply applied to the supply input 4 of the valve unit 2 and is actuated via a piezoelectric element 27, 28, which in turn is connected to an electrical control circuit in the form of a programmable microcontroller 26 ,
  • the microcontroller 26 is connected to the signal input 29 for an electrical control signal and an electrical power or voltage supply, not shown. It calculates suitable actuating signals for the two piezoelectric elements 27, 28 as a function of the control signal representing a setpoint value for the manipulated variable and the actual value of the manipulated variable.
  • control variable for the illustrated positioner for example, the determinable at the working member 3 by means of a suitable sensor conventional type position of the piston 9 or determinable by a pressure sensor pressure in the working chamber 10 of the working member 3 and at the working output 5 of the valve unit. 2 serve.
  • a sensor for this purpose which is not shown for the sake of better clarity, is preferably likewise connected to the microcontroller in order to calculate from the actual value of the manipulated variable determined by the sensor a suitable actuating signal for the adjusting drives 17, 18 of the two piezopneumatic valves 11, 12.
  • Fig. 2 shows a section through the dashed lines indicated valve housing block 30 of the piezopneumatic valve unit 2 Fig. 1 ,
  • the one-piece valve housing block 30 forms the two valve housings 31, 32 for receiving the valve inserts 13, 14 of the valves 11, 12.
  • Each valve insert 13, 14 is sealingly received in an identical receiving cavity 33, 34.
  • In the receiving cavities 33, 34 open flow channels 35, 36, 37 such that they are connected to the connections of corresponding flow channels of the switching units 15, 16 of the valve inserts 13, 14.
  • the valves 11, 12 are pneumatically coupled via the flow channel 36, which simultaneously communicates with the working output 5 of the valve unit 2.
  • Both linearly displaceable valve body 21, 22 of the valves 11, 12 are each by means of a - in Fig. 2 not shown - spring 38, 39 in the in Fig. 2 represented and biased the fail-safe state in case of failure of the electrical energy switching position and can by the (in Fig. 2 not shown and according to the arrows V1 and V2 indirectly acting on the valve body 21 and 22 respectively) piezopneumatische adjusting drive 17, 19, 23 and 18, 20, 24 counter to the respective spring force F spring are adjusted.
  • the adjustment drives 17, 18 of both valves 11, 12 formed by the piezoelectric pilot valves 19, 20 are in this case coupled to the valve bodies in such a way that no force is exerted on the valve bodies 21 or 22 in the event of a failure of the electrical energy from them.
  • valve body 21 of the valve insert 13 shown on the left by the spring force F spring against its valve seat 40 that is in a closed position, biased during the valve body 22 of the valve insert 14 shown on the right by the spring force F spring is biased in a spaced from its valve seat 41 opening position.
  • NG normally closed
  • NO normally open
  • Positioner 1 shown overall means that in case of failure of the electrical energy of the working outlet 5 via the opening valve 12 connected to the vent outlet 6 and is decoupled by the closing valve 11 from the voltage applied to the supply input 4 compressed gas supply, whereby the working chamber 10 of the working member 3 is vented.
  • the piston 9 of the working member 3 thus assumes under the action of the spring 8, the predetermined at unpressurized working chamber 10 end position.
  • the working output 5 of the valve unit 2 is connected to the voltage applied to the supply input 4 compressed gas supply and decoupled from the vent outlet 6, whereby the pressure at the working output. 5 rises, so that the piston 9 of the working member 3 against the force of the spring 8 which compared to the embodiment of the Fig. 1 and 2 opposite end position of its maximum travel takes.
  • Fig. 4 shows a section through the valve housing block 30 of another embodiment of the present invention, in turn, the positioner 1 and the valve unit 2 as such - with the exception of the valve inserts used for use 13 - are designed identically.
  • FIG. 5 finally shows a section through the valve housing 31 of in Fig. 2
  • the valve housing 31 includes a valve housing block 30 and a valve insert 13 covering the housing cover 42, in which a the entire Valve 11 (including pilot valve 19) receiving receiving cavity 33 is formed, wherein the adjusting drive 17 forming pilot valve 19 is completely housed in the projecting into the housing cover 42 portion of the receiving cavity 33.
  • the double arrow P indicates the linear displaceability of the valve components connected to the valve 21.
  • the pilot valve 19 acting as an adjusting drive 17 is decoupled from the switching unit 15 by a pneumatic volume 44 separated from the switching unit 15 of the valve core 13 by means of the membrane 43 and always vented.
  • the membrane 43 is indirectly connected to the valve body 21 and exerts on this, as soon as it is displaced against the force F spring supported within the flow channel 35 spring 38, a restoring force F back to the valve body, which - as well as a the geometry of the booster valve resulting force F seat - the force F st of the pilot valve 19 is directed opposite.
  • the equilibrium of forces that occurs at any given time has a self-stabilizing effect on the entire system against system fluctuations of all kinds.
  • Valve insert in valve 12 (functional characteristics) Operating state pilot 20 13 (NG) out 14 (NO) out sinks out one no change one out undefined one one increases 14 (NO) out 13 (NG) out increases out one undefined one out no change one one sinks 13 (NG) out 13 (NG) out no change out one sinks one out increases one one undefined 14 (NO) out 14 (NO) out undefined out one increases one out sinks one one no change Functional characteristic of the valves Behavior of the outlet pressure in case of failure Valve 11 Valve 12 electrical power Compressed gas supply NG NO sinks sinks NO NG increases sinks NG NG no change sinks NO NO undefined sinks
  • Table 3 shows the function characteristic-dependent fail-safe behavior of another positioner according to the invention, which is connected in a conventional manner to a double-acting working member and this four piezopneumatische valves A1, A2, B1, B2 of the type explained.
  • the valves A1, B1 serve to control the pressure in a first working chamber of the working member connected to a first working outlet of the valve unit, while the valves A2, B2 serve to control the pressure in a second working chamber connected to a second working outlet of the valve unit.

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Abstract

Bei einem pneumatischen Stellungsregler (1) mit einem Arbeitsglied (3) und einer auf dieses wirkenden, zwei miteinander gekoppelte piezopneumatische Ventile (11, 12) umfassenden Ventileinheit (2) weist letztere einen Signaleingang (29) für ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang (4), einen an das pneumatische Arbeitsglied (3) angeschlossenen Arbeitsausgang (5) und einen Entlüftungsausgang (6) für das Arbeitsmedium auf. Dabei weisen die Ventile (11, 12) jeweils ein Ventilgehäuse (31, 32) mit einem Aufnahmehohlraum (33, 34) und einen darin (31,32) dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz (13, 14) mit einer durchströmten Schalteinheit (15, 16) auf. Der Ventilsitz (40, 41) und der mit diesem zusammenwirkende Ventilkörper (21, 22) sind an der Schalteinheit (15, 16) vorgesehen. In dem Ventilgehäuse (31,32) angeordnete Strömungskanäle (35, 36, 37) münden dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum (33, 34), dass bei identischem Ventilgehäuse (31, 32) durch Austausch des Ventileinsatzes (13, 14) unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils (11, 12) realisierbar sind.

Description

  • Die vorliegender Erfindung betrifft eine piezopneumatische Ventileinheit sowie einen pneumatischen Stellungsregler mit einem pneumatischen Arbeitsglied und einer auf dieses wirkenden piezopneumatischen Ventileinheit, welche zwei miteinander pneumatisch gekoppelte piezopneumatische Ventile umfasst, wobei die Ventileinheit einen Signaleingang für ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang, einen an das pneumatische Arbeitsglied angeschlossenen Arbeitsausgang und einen Entlüftungsausgang für das Arbeitsmedium (z.B. Luft) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens eines solchen pneumatischen Stellungsreglers bzw. einer solchen piezopneumatischen Ventileinheit.
  • Solche Stellungsregler dienen in vorteilhafter Weise zur Verschiebung oder Verschwenkung eines mit dem Arbeitsglied verbundenen Stellglieds, um hierdurch z.B. eine Ventil- oder Klappenstellung zu regeln.
  • Gattungsgemäße Stellungsregler sind in der Regel so aufgebaut, dass das Arbeitsglied bei einem Ausfall der elektrischen (Hilfs-)Energie in eine ausgewählte Endlage verfahren wird, wobei die Endlage des Arbeitsglieds durch die konstruktiv vorgegebene strömungstechnische Verschaltung der Ventile und deren Aufbau definiert ist. Stellungsregler mit unterschiedlichem Fail-Safe-Verhalten sind daher insgesamt durch einen unterschiedlichen konstruktiven Aufbau gekennzeichnet. Dies erweist sich insbesondere dann als aufwendig bzw. problematisch, wenn in einem Produktsortiment mehrere Stellungsregler der eingangs genannten Art mit verschiedenem Fail-Safe-Verhalten angeboten werden sollen oder wenn das Fail-Safe-Verhalten eines bestimmten Stellungsreglers abgeändert werden soll.
  • Aus der EP 0 822 344 A2 ist ein gattungsgemäßer Stellungsregler der eingangs genannten Art mit zwei pneumatisch gekoppelten piezopneumatischen Ventilen bekannt, bei dem ein zusätzliches, den beiden piezopneumatischen Ventilen ausgangsseitig nachgeschaltetes und dem pneumatischen Arbeitsglied vorgeschaltetes Verblockventil vorgesehen ist, mit welchem im Sinne eines definierten Fail-Safe-Verhaltens die Arbeitskammer des Arbeitsgliedes bei Ausfall einer elektrischen Hilfsenergie verschlossen werden kann, so dass das Arbeitsglied in diesem Fall in seiner letzten Stellung verbleibt. Auch dieser Stellungsregler, der in nachteiliger Art auf ein zusätzliches Verblockventil angewiesen ist, erlaubt wiederum nur ein bestimmtes, vordefiniertes Fail-Safe-Verhalten des dargestellten Stellungsreglers.
  • Ferner ist aus dem US-Patent US 5,362,141 ein nicht für pneumatische Anwendungen geeignetes Hydraulikventil bekannt, bei welchem zwei verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze unter Anwendung einer irreversiblen "Memory-Shape-Funktion", also nicht austauschbar, in ein Ventilgehäuse eingesetzt sind.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stellungsregler bzw. eine piezopneumatische Ventileinheit der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass er bzw. sie auf möglichst einfache und kostengünstig Art und Weise an ein spezielles Fail-Safe-Verhalten anpassbar ist. Entsprechend soll mit der vorliegenden Erfindung ein auf möglichst einfache und kostengünstige Weise durchführbares Verfahren zur Einstellung bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens eines solchen pneumatischen Stellungsreglers bzw. einer solchen piezopneumatischen Ventileinheit bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird bei einem pneumatischen Stellungsregler der eingangs genannten Art durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dabei ist - neben den bereits eingangs genannten Merkmalen - erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ventile jeweils ein Ventilgehäuse und einen in einen Aufnahmehohlraum des betreffenden Ventilgehäuses dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz mit einer durchströmten Schalteinheit aufweisen, wobei der Ventilsitz und der mit diesem zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs verstellbare Ventilkörper an der Schalteinheit des Ventileinsatzes vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse angeordnete Strömungskanäle dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum münden, dass bei identischem Ventilgehäuse durch Austausch des Ventileinsatzes unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils realisierbar sind.
  • Im erfindungsgemäßen Sinne ist unter unterschiedlichen Funktionscharakteristiken also insbesondere ein unterschiedliches Fail-Safe-Verhalten des betreffenden Ventils, z.B. im Sinne eines vordefinierten Schaltzustands des Ventils, der sich bei Ausfall der elektrischen Energie oder bei Druckabfall am Versorgungseingang des Stellungsreglers einstellt, zu verstehen.
  • Zwei erfindungsgemäße pneumatische Stellungsregler mit verschiedenen Fail-Safe-Verhalten unterscheiden sich somit ausschließlich dadurch, dass wenigstens einer der Aufnahmehohlräume der beiden Ventilgehäuse des einen Stellungsreglers - gegenüber dem betreffenden Aufnahmehohlraum des anderen Stellungsreglers - mit einem unterschiedlichen funktionsspezifischen Ventileinsatz bestückt ist, was durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Stellungsreglers erst ermöglicht wird.
  • Insoweit ist zur möglichst einfachen Erzielung des gewünschten Erfolges also von Bedeutung, dass die funktionsspezifischen Ventileinsätze derart in den Aufnahmehohlraum des betreffenden Ventils einsetzbar sind, dass sie jeweils durch einen anderen funktionsspezifischen Ventileinsatz austauschbar sind. Jeder Ventileinsatz weist dabei zumindest eine - den Ventilsitz und den Ventilkörper des jeweiligen Ventils umfassende bzw. beinhaltende - Schalteinheit auf, deren Strömungsanschlüsse bei bestimmungsgemäßer Montage in einem Aufnahmehohlraum des Ventilgehäuses mit in den Aufnahmehohlraum mündenden Strömungskanälen des Ventilgehäuses verbunden sind. Verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze sind daher vorteilhaft durch eine unterschiedliche Verschaltung von Strömungskanälen innerhalb der Schalteinheit bzw. eine unterschiedlichen Anordnung bzw. Lage von Ventilkörper und Ventilsitz gekennzeichnet. Ferner ist im Sinne der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die von jedem Ventilgehäuse ausgebildeten Aufnahmehohlräume, die darin mündenden Strömungskanäle sowie verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze derart aneinander angepasst sind, dass zur Erzielung einer unterschiedlichen Funktionscharakteristik des betreffenden Ventils in jedem Aufnahmehohlraum verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze dichtend aufgenommen werden können.
  • Die Ventilgehäuse beider Ventile sind zusammen mit den in ihren Aufnahmehohlraum mündenden Strömungskanälen bevorzugt insoweit identisch aufgebaut, dass ein funktionsspezifischer Ventileinsatz gleichermaßen in jedem der beiden Ventilgehäuse verwendbar ist. Die in beiden Ventilgehäusen vorgesehenen Strömungskanäle münden also bevorzugt jeweils an gleicher Stelle in einen für beide Ventile identisch ausgestalteten Aufnahmehohlraum. Durch bloßen Austausch eines ersten funktionsspezifischen Ventileinsatzes durch einen zweiten funktionsspezifischen Ventileinsatz (anderer Bauart bzw. Funktion) lässt sich damit die Funktionscharakteristik des betreffenden Ventils und hierüber im Ergebnis das Fail-Safe-Verhalten des gesamten Stellungsreglers auf einfache Weise einstellen bzw. abändern.
  • Vorteilhaft kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass ein erfindungsgemäßer Stellungsregler zwei verschiedene - je eine andere Funktionscharakteristik für das damit bestücktes Ventil definierende - funktionsspezifische Ventileinsätze aufweist, die in einer ersten Einbau-Konfiguration (Ventileinsatz A in Ventil I; Ventileinsatz B in Ventil II) ein erstes Fail-Safe-Verhalten des Stellungsreglers definieren, während sie in der zweiten möglichen Einbau-Konfiguration (Ventileinsatz B in Ventil I; Ventileinsatz A in Ventil II) ein zweites Fail-Safe-Verhalten für den Stellungsregler definieren, welches sich vom ersten Fail-Safe-Verhalten unterscheidet. Die beiden genannten Einbau-Konfigurationen unterscheiden sich dabei lediglich durch eine Vertauschung der beiden funktionsspezifischen Ventileinsätze.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird jedoch nicht nur die Umrüstung eines bestehenden Stellungsreglers im Hinblick auf ein geändertes Fail-Safe-Verhalten erleichtert, sondern es wird auch im Falle der Herstellung eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers, also im Falle der Erstbestückung der betreffenden Aufnahmehohlräume mit funktionsspezifischen Ventileinsätzen, eine besonders einfache Anpassung des Stellungsreglers an den gewünschten Einsatzzweck erlaubt. Eine mit der vorliegenden Erfindung realisierbare Baureihe von Stellungsreglern mit verschiedenem Fail-Safe-Verhalten ist daher durch einen - mit Ausnahme der Ventileinsätze - identischen Aufbau aller Stellungsregler der Baureihe gekennzeichnet.
  • Bei den verschiedenen Funktionscharakteristiken der beteiligten Ventile, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch verschiedene in das Gehäuse einzusetzende Ventileinsätze realisiert werden, handelt es sich in besonders vorteilhafter Weise um eine erste Funktionscharakteristik, bei der das betreffende Ventil im Falle eines Energieausfalls selbsttätig in seine Schließstellung überführt wird (z.B. durch eine den Ventilkörper in Richtung des Ventilsitzes vorspannende Feder), und eine zweite Funktionscharakteristik, bei der das betreffende Ventil im Falle eines Energieausfalls selbsttätig in seine Öffnungsstellung überführt wird (z.B. durch eine den Ventilkörper in seine vom Ventilsitz beabstandete Öffnungsstellung vorspannende Feder). Es werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung also besonders bevorzugt wenigstens zwei verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze bereitgestellt, die gleichermaßen in die Aufnahmehohlräume der Ventilgehäuse beider Ventile einsetzbar sind und durch die funktionsspezifisch angepasste Ausgestaltung ihrer Schalteinheit die vorstehend erwähnte Funktionalität bereitstellen.
  • Die zwei piezopneumatischen Ventile eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers werden mittels geeigneter elektrischer Stellsignale auf piezoelektrische Weise separat betätigt, wodurch gleichzeitig ein möglichst energieeffizienter Betrieb des Stellungsreglers sichergestellt ist. Insoweit werden aus dem am Signaleingang des Stellungsreglers eingehenden elektrischen Steuersignal unter Zuhilfenahme einer an eine Energieversorgung angeschlossenen Steuer- bzw. Regelelektronik (z.B. eines Mikrocontrollers) auf geeignete und bekannte Weise zwei verschiedene Stellsignale für die beiden Verstellantriebe der beiden piezopneumatischen Ventile berechnet und entsprechend bereit gestellt.
  • Bezüglich des konkreten Aufbaus der piezopneumatischen Ventile sei auf die insoweit aus dem Stand der Technik bekannten Arten piezopneumatischer Ventile verwiesen, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, dass der Verstellantrieb in Form einer piezopneumatischen Vorstufe, also in Form eines piezopneumatischen Pilotventils, welches mittelbar oder unmittelbar auf den Ventilkörper einer nachgeschalteten Ventilstufe einwirkt, ausgeführt ist.
  • Damit sind die (wenigstens) zwei Ventile eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers in Art eines zweistufigen Ventils ausgebildet, bei dem das als Vorstufe dienende und piezoelektrisch betätigbare Pilotventil, welches seinerseits mit einer Druckgasversorgung verbunden ist, als (pneumatischer) Verstellantrieb für den Ventilkörper einer nachgeschalteten Booster-Stufe (BoosterVentil) fungiert.
  • Pilotventil und Boosterventil können bevorzugt an die gleiche, am Versorgungseingang des Stellungsreglers anliegende Druckgasversorgung angeschlossen sein, wobei dem Pilotventil bevorzugt ein Druckbegrenzer vorgeschaltet ist, so dass etwaige Schwankungen des Drucks in der Druckgasversorgung keinen oder einen deutlich verminderten Einfluss auf die Stell- bzw. Antriebsfunktion des Pilotventils haben. Der in den Aufnahmehohlraum des Ventilgehäuses eingesetzte Ventileinsatz umfasst somit die Schalteinheit des (Booster-)Ventils, dessen Ventilkörper durch das als Vorstufe fungierende piezopneumatische Pilotventil verstellt wird.
  • Ferner sei darauf hingewiesen, dass das pneumatische Arbeitsglied eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers Teil eines "einfach wirkenden" Systems mit einer - an den Arbeitsausgang der piezopneumatischen Ventileinheit angeschlossenen - Arbeitskammer sein kann. Das Arbeitglied wird hierbei bevorzugt mittels einer Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer gegen die Kraft einer Feder verschoben. Die erfindungsgemäße Ventileinheit bildet in diesem Fall ein 3/3-Wegesystem und weist hierfür zwei pneumatisch gekoppelte Ventile auf.
  • Gleichfalls kommt für die vorliegende Erfindung jedoch in Betracht, dass das mittels der Ventileinheit verstellbare Arbeitsglied Teil eines "doppelt wirkenden" Systems ist, bei welchem auf das Arbeitsglied von verschiedenen Seiten zwei individuell mit Druck beaufschlagbare Arbeitskammern zu dessen Verstellung einwirken. Es versteht sich, dass die Ventileinheit eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers in diesem Fall zwei getrennte Arbeitsausgänge für jede Arbeitskammer des Arbeitsglieds aufweist und dass in einem solchen Fall insgesamt vier piezopneumatische Ventile vorzusehen sind, von denen jeweils zwei Ventile pneumatisch miteinander gekoppelt und einem Arbeitsausgang der Ventileinheit zugeordnet sind. Die Ventileinheit bildet hier ein 5/3-Wegesystem, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass jedes der vier Ventile einen - wie bereits zuvor erläutert - austauschbar in einen Aufnahmehohlraum des jeweiligen Ventilgehäuses dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz aufweist, wodurch die Funktionscharakteristik jedes der vier Ventile und damit das Fail-Safe-Verhalten des Stellungsreglers in besonders einfacher Weise an den gewünschten Einsatzzweck des Stellungsreglers anpassbar ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in einer ersten Variante vorgesehen sein, dass der Verstellantrieb jedes Ventils und die Schalteinheit des zugehörigen Ventileinsatzes eine gemeinsame, als ganzes austauschbare Baugruppe bilden. Verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze umfassen dann als austauschbare Baugruppe auch den Verstellantrieb des betreffenden Ventils.
  • Alternativ hierzu kann in einer zweiten Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass der Verstellantrieb jedes Ventils und die Schalteinheit des zugehörigen Ventileinsatzes getrennte Baugruppen bilden, wodurch zur Erzielung einer verschiedenen Funktionscharakteristik des betreffenden Ventils nur die Schalteinheit (mit Ventilkörper und Ventilsitz) des Ventils, nicht jedoch der Verstellantrieb des betreffenden Ventils ausgetauscht werden muss.
  • Beide vorgenannten Varianten können sich - je nach der konkreten Ausgestaltung des Verstellantriebs und seiner Anbindung an den Ventilkörper - als vorteilhaft und einfacher zu realisieren erweisen.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die die unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils bewirkenden verschiedenen Ventileinsätze sich nur im Umfang der jeweiligen Schalteinheit unterscheiden, wodurch insbesondere auch der Verstellantrieb zu verschiedenen funktionsspezifischen Ventileinsätzen baugleich ausgestaltet sein kann.
  • Ferner ist im Rahmen einer abermals bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass bei den Ventileinsätzen jeweils der auf den Ventilkörper einwirkende Verstellantrieb und die Schalteinheit gastechnisch durch ein mittels einer Membran von der Schalteinheit abgetrenntes pneumatisches Volumen entkoppelt sind, wodurch eine Entkopplung der verstellantriebsseitig und schalteinheitsseitig vorherrschenden Betriebsmedien und -drücke realisiert ist. Ferner kann mit einer solchen, bevorzugt mit dem Ventilkörper der Schalteinheit gekoppelten Membran eine zusätzliche (Rückstell-)Kraft auf den Ventilkörper ausgeübt werden, was eine selbsttätige Stabilisierung des Stellungsreglers gegenüber kurzfristigen eingangs-, antriebs- oder ausgangseitige Druckschwankungen befördert.
  • In besonders bevorzugter Art und Weise können die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Ventilgehäuse der wenigstens zwei Ventile durch ein gemeinsames Ventilgehäuse gebildet sein. Dabei bietet es sich zur Erzielung einer besonders kompakten und robusten Bauweise insbesondere an, das gemeinsame Ventilgehäuse in Form eines - wenigstens zwei Aufnahmehohlräume aufweisenden - Ventilgehäuseblocks mit mindestens einem Gehäusedeckel auszubilden. Der wenigstens eine Gehäusedeckel verschließt bevorzugt die in dem Ventilgehäuseblock vorgesehenen Aufnahmehohlräume für die Ventileinsätze, wodurch nach Abnahme des wenigstens einen Gehäusedeckels bzw. vor dessen Montage ein geeigneter Zugang zu dem Aufnahmehohlraum besteht. Besonders bevorzugt kann hierbei in einer nochmaligen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass sich der jedem Ventil zugeordnete Aufnahmehohlraum jeweils sowohl in den Ventilgehäuseblock als auch in den Deckel hinein erstreckt, wobei dann in nochmals bevorzugter Weise vorgesehen sein kann, dass der einem Ventil zugeordnete Verstellantrieb - zumindest teilweise - in dem in den Deckel hineinragenden Bereich des betreffenden Aufnahmehohlraumes untergebracht ist. Durch Abnahme des Gehäusedeckels mitsamt dem darin untergebrachten Verstellantrieb wird somit der Aufnahmehohlraum zum Einsatz oder Austausch eines funktionsspezifischen Ventileinsatzes zugänglich.
  • Bezüglich der pneumatischen Kopplung der beiden Ventile und der Verschaltung der Ventileinheit ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Arbeitsausgang der Ventileinheit mit einem die beiden Aufnahmehohlräume miteinander verbindenden Strömungskanal kommuniziert, d.h. mit diesem strömungstechnisch verbunden ist.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung im vorstehend erläuterten Sinne zunächst einen pneumatischen Stellungsregler betrifft, ist festzustellen, dass sich die zur Realisierung des erfindungsgemäßen Erfolgs notwendigen Merkmale - beinahe ausschließlich - in der beschriebenen Ausgestaltung der piezopneumatischen Ventileinheit manifestieren. Daher ist es gerechtfertigt, die vorliegende Erfindung auch auf eine in Übereinstimmung mit den vorgenannten Merkmalen ausgestaltete piezopneumatische Ventileinheit für einen pneumatischen Stellungsregler zu beziehen. Eine solche erfindungsgemäße Ventileinheit umfasst zwei miteinander pneumatisch gekoppelte piezopneumatische Ventile, wobei die Ventileinheit einen Signaleingang für ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang, einen an das pneumatische Arbeitsglied des Stellungsreglers anschließbaren Arbeitsausgang und einen Entlüftungsausgang für das Arbeitsmedium aufweist. Die erfindungsgemäße Ventileinheit ist dabei ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile jeweils ein Ventilgehäuse und einen in einen Aufnahmehohlraum des betreffenden Ventilgehäuses dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz mit einer durchströmten Schalteinheit aufweisen, wobei der Ventilsitz und der mit diesem zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs verstellbare Ventilkörper an der Schalteinheit des Ventileinsatzes vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse angeordnete Strömungskanäle dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum münden, dass bei identischem Ventilgehäuse durch Austausch des Ventileinsatzes unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils realisierbar sind. Ersichtlich gelten bezüglich der Vorteile einer solchen Ventileinheit wie auch bezüglich bevorzugter Weiterbildungen einer solchen Ventileinheit alle vorstehend genannten Aspekte in gleicher Weise, so dass insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen sei.
  • Und schließlich betrifft die vorliegende Erfindung das in Anspruch 14 beschriebene Verfahren zur Einstellung bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens eines erfindungsgemäßen pneumatischen Stellungsreglers bzw. einer erfindungsgemäßen piezopneumatischen Ventileinheit.
  • Ersichtlich gelten bezüglich der Vorteile dieses Verfahrens wie auch bezüglich bevorzugter Weiterbildungen desselben alle vorstehend genannten Aspekte in gleicher Weise, so dass insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen sei.
  • Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine Schaltskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen pneumatischen Stel- lungsreglers mit einer erfindungsgemäßen pie- zopneumatischen Ventileinheit,
    Fig. 2
    einen Schnitt durch den Gehäuseblock der in Fig. 1 dargestellten Ventileinheit,
    Fig. 3
    einen Schnitt durch den Gehäuseblock der be- reits in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ven- tileinheit mit vertauschten Ventileinsätzen,
    Fig. 4
    einen Schnitt durch den Gehäuseblock eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfin- dungsgemäßen Ventileinheit und
    Fig. 5
    einen Schnitt durch das Ventilgehäuse des in Fig. 2 links teilweise dargestellten Ventils.
  • Der in Fig. 1 schematisch dargestellte pneumatische Stellungsregler 1 umfasst eine erfindungsgemäße piezopneumatische Ventileinheit 2, die auf ein pneumatisches Arbeitsglied 3 einwirkt. An der Ventileinheit 2 ist ein an eine Druckgasversorgung anschließbarer Versorgungseingang 4, ein mit dem Arbeitglied 3 verbundener Arbeitsausgang 5 sowie ein mit der Atmosphäre verbundener oder geeignet gefasster Entlüftungsausgang 6 vorgesehen.
  • Das vorliegend als einfach wirkendes System ausgestaltete pneumatische Arbeitsglied 3 des pneumatischen Stellungsreglers 1 umfasst einen innerhalb eines Zylinders 7 gegen die Kraft einer Feder 8 verschiebbaren Kolben 9, mit welchem z.B. eine - nicht dargestellte - Klappe oder ein Ventil betätigt werden kann. Zur Verstellung des - prinzipiell auch auf andere Weise ausgestaltbaren - pneumatischen Arbeitsgliedes 3 ist dessen Arbeitskammer 10 an dem Arbeitsausgang 5 der piezoelektrischen Ventileinheit 2 angeschlossen.
  • Die piezopneumatische Ventileinheit 2 umfasst ferner zwei piezopneumatische Ventile 11, 12, die pneumatisch miteinander gekoppelt und mit dem Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 verbunden sind. Das links dargestellte Ventil 11 dient durch seine Verbindung mit dem Versorgungseingang 4 der Ventileinheit 2 dem Druckaufbau in der Arbeitskammer 10 des Arbeitsglieds 3, während das rechts dargestellte Ventil 12 durch seine Verschaltung mit dem Entlüftungsausgang 6 dem Druckabbau in der Arbeitskammer 10 dient.
  • Jedes der beiden Ventile 11, 12 weist genau einen funktionsspezifischen Ventileinsatz 13, 14 auf, wobei sich die Ventileinsätze 13, 14 hinsichtlich der funktionsspezifischen Ausgestaltung ihrer jeweiligen Schalteinheit 15, 16 unterscheiden, wie dies den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist und weiter unten noch näher erläutert wird.
  • Die piezopneumatischen Ventile 11, 12 umfassen je eine als Verstellantrieb 17, 18 fungierende und für beide Ventile 11, 12 identisch ausgebildete piezopneumatischen Vorstufe 19, 20, mit denen die jeweilige Schalteinheit 15, 16 (bzw. der darin angeordnete Ventilkörper 21, 22; vgl. Fig. 2) betätigt wird, wie dies durch die gestrichelten Pfeile 23, 24 angedeutet ist. Jedes piezopneumatische Pilotventil 19, 20 ist über einen gemeinsamen Druckbegrenzer 25 eingangsseitig mit der am Versorgungseingang 4 der Ventileinheit 2 anliegenden Druckgasversorgung verbunden und wird über ein piezoelektrisches Element 27, 28, das seinerseits mit einem elektrischen Regelschaltkreis in Form eines programmierbaren Mikrocontrollers 26 verbunden ist, betätigt. Der Mikrocontroller 26 ist an den Signaleingang 29 für ein elektrisches Steuersignal sowie eine nicht dargestellte elektrische Energie- bzw. Spannungsversorgung angeschlossen. Er berechnet abhängig von dem einen Sollwert für die Stellgröße repräsentierenden Steuersignal und dem Istwert der Stellgröße geeignete Stellsignale für die beiden piezoelektrischen Elemente 27, 28.
  • Als Stell- bzw. Regelgröße für den dargestellten Stellungsregler 1 kann beispielsweise die am Arbeitsglied 3 mittels eines geeigneten Sensors üblicher Bauart bestimmbare Lage des Kolbens 9 oder der mittels eines Drucksensors bestimmbare Druck in der Arbeitskammer 10 des Arbeitsglieds 3 bzw. am Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 dienen. Ein hierfür zur Verwendung kommender und der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellter Sensor ist bevorzugt ebenfalls mit dem Mikrocontroller verbunden, um aus dem vom Sensor bestimmten Istwert der Stellgröße ein geeignetes Stellsignal für die Verstellantriebe 17, 18 der beiden piezopneumatischen Ventile 11, 12 zu berechnen.
  • Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den gestrichelt angedeuteten Ventilgehäuseblock 30 der piezopneumatischen Ventileinheit 2 aus Fig. 1. Der einteilige Ventilgehäuseblock 30 bildet die beiden Ventilgehäuse 31, 32 zur Aufnahme der Ventileinsätze 13, 14 der Ventile 11, 12 aus. Jeder Ventileinsatz 13, 14 ist in einem identischen Aufnahmehohlraum 33, 34 dichtend aufgenommen. In die Aufnahmehohlräume 33, 34 münden Strömungskanäle 35, 36, 37 derart, dass sie mit den Anschlüssen korrespondierender Strömungskanäle der Schalteinheiten 15, 16 der Ventileinsätze 13, 14 verbunden sind. Die Ventile 11, 12 sind dabei über den Strömungskanal 36, der gleichzeitig mit dem Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 kommuniziert, pneumatisch gekoppelt.
  • Beide linearverschiebbaren Ventilkörper 21, 22 der Ventile 11, 12 sind jeweils mittels einer - in Fig. 2 nicht dargestellten - Feder 38, 39 in die in Fig. 2 dargestellte und den Fail-Safe-Zustand bei Ausfall der elektrischen Energie definierende Schaltstellung vorgespannt und können durch den (in Fig. 2 nicht dargestellten und gemäß der Pfeile V1 und V2 mittelbar auf den Ventilkörper 21 bzw. 22 einwirkenden) piezopneumatischen Verstellantrieb 17, 19, 23 bzw. 18, 20, 24 entgegen der jeweiligen Federkraft Ffeder verstellt werden. Die durch die piezoelektrischen Pilotventile 19, 20 gebildeten Verstellantriebe 17, 18 beider Ventile 11, 12 sind vorliegend derart an die Ventilkörper angekoppelt, dass bei einem Ausfall der elektrischen Energie von diesen keine Kraft mehr auf die Ventilkörper 21 bzw. 22 ausgeübt wird.
  • Dabei ist der Ventilkörper 21 des links dargestellten Ventileinsatzes 13 durch die Federkraft Ffeder gegen seinen Ventilsitz 40, also in eine Schließstellung, vorgespannt, während der Ventilkörper 22 des rechts dargestellten Ventileinsatzes 14 durch die Federkraft Ffeder in eine von seinem Ventilsitz 41 beabstandete Öffnungsstellung vorgespannt ist. Das links dargestellte Ventil 11 besitzt somit eine sich bei Energieausfall schließende Funktionscharakteristik (="normal geschlossen (NG)"), während das rechts dargestellte Ventil 12 eine sich bei Energieausfall öffnende Funktionscharakteristik (="normal offen (NO)") aufweist. Für den in Fig. 1 insgesamt dargestellten Stellungsregler 1 bedeutet dies, dass bei Ausfall der elektrischen Energie der Arbeitsausgang 5 über das sich öffnende Ventil 12 mit dem Entlüftungsausgang 6 verbunden und durch das sich schließende Ventil 11 von der am Versorgungseingang 4 anliegenden Druckgasversorgung entkoppelt wird, wodurch die Arbeitskammer 10 des Arbeitsglieds 3 entlüftet wird. Der Kolben 9 des Arbeitsglieds 3 nimmt somit unter Einwirkung der Feder 8 die bei druckloser Arbeitskammer 10 vorgegebene Endlage ein.
  • Fig. 3 zeigt nun einen Schnitt durch den Gehäuseblock 30 der bereits in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ventileinheit mit vertauschten Ventileinsätzen 13, 14. Es wird sofort klar, dass nun bei einem Ausfall der elektrischen Energie das linke Ventil 11 die dargestellte Öffnungsstellung einnimmt (=Funktionscharakteristik "NO"), während das rechte Ventil 12 seine Schließstellung einnimmt (=Funktionscharakteristik "NG"). Im Ergebnis wird der Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 mit der am Versorgungseingang 4 anliegenden Druckgasversorgung verbunden und von dem Entlüftungsausgang 6 entkoppelt, wodurch der Druck am Arbeitsausgang 5 steigt, so dass der Kolben 9 des Arbeitglieds 3 gegen die Kraft der Feder 8 die gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus den Fig. 1 und 2 entgegengesetzte Endlage seines maximalen Verfahrweges einnimmt.
  • Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Ventilgehäuseblock 30 eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem wiederum der Stellungsregler 1 bzw. die Ventileinheit 2 als solche - mit Ausnahme der zur Verwendung kommenden Ventileinsätze 13 - identisch ausgestaltet sind.
  • Hier sind für die beiden Ventile 11, 12 zwei identische funktionsspezifische Ventileinsätze 13 gewählt, deren Schalteinheiten 15 bei Energieausfall beide in eine das betreffende Ventil 11, 12 schließende Stellung überführt werden. Somit wird die Arbeitskammer 10 eines an den Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit angeschlossenen Arbeitsglieds 3 sowohl vom Versorgungseingang 4 als auch vom Entlüftungsausgang 6 der Ventileinheit 2 entkoppelt, so dass sich der Druck in der Arbeitskammer 10 nicht ändert, also gleich bleibt. Das Arbeitsglied 3 bzw. dessen Kolben 9 behält damit seine vor dem Energieausfall eingenommene Position bei.
  • Figur 5 zeigt schließlich noch einen Schnitt durch das Ventilgehäuse 31 des in Fig. 2 links dargestellten Ventils 11. Dabei umfasst das Ventilgehäuse 31 einen Ventilgehäuseblock 30 und einen den Ventileinsatz 13 abdeckenden Gehäusedeckel 42, in denen ein das gesamte Ventil 11 (inkl. Pilotventil 19) aufnehmender Aufnahmehohlraum 33 ausgebildet ist, wobei das den Verstellantrieb 17 bildende Pilotventil 19 vollständig in dem in den Gehäusedeckel 42 hineinragenden Bereich des Aufnahmehohlraumes 33 untergebracht ist. Der Doppelpfeil P kennzeichnet die lineare Verschiebbarkeit der mit dem Ventilkörper 21 verbundenen Ventilbestandteile.
  • Das als Verstellantrieb 17 fungierende Pilotventil 19 ist durch ein mittels der Membran 43 von der Schalteinheit 15 des Ventileinsatzes 13 abgetrenntes und stets entlüftetes pneumatisches Volumen 44 von der Schalteinheit 15 entkoppelt. Die Membran 43 ist dabei mittelbar mit dem Ventilkörper 21 verbunden und übt auf diesen, sobald er gegen die Kraft Ffeder der innerhalb des Strömungskanals 35 abgestützten Feder 38 verschoben wird, eine Rückstellkraft Frück auf den Ventilkörper aus, die - wie auch eine sich aus der Geometrie des Boosterventils ergebende Kraft Fsitz - der Stellkraft Fst des Pilotventils 19 entgegengerichtet ist. Das sich hierbei zu jedem Zeitpunkt einstellende Kräftegleichgewicht wirkt selbststabilisierend für das gesamte System gegenüber Systemschwankungen aller Art.
  • Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 zeigen die bei verschiedener Bestückung der Ventile 11, 12 mit den vorstehend erläuterten Ventileinsätzen 13, 14 realisierbaren Funktionscharakteristiken der betreffenden Ventile 11, 12 in Abhängigkeit vom Betätigungszustand des Pilotventils 19, 20 des jeweiligen Ventils bzw. das sich hieraus ergebende Fail-Safe-Verhalten einer vorstehend anhand der Figuren 1 - 4 im Grundsatz erläuterten Ventileinheit 2. Tabelle 1
    Ausführung der (Booster-)Ventile 11, 12 Änderung des Drucks am Arbeitsausgang
    funktionsspez. Ventileinsatz in Ventil 11 (Funktionscharakteristik) Betätigungszustand Pilot 19 funktionsspez. Ventileinsatz in Ventil 12 (Funktionscharakteristik) Betätigungszustand Pilot 20
    13
    (NG)    		 aus 14
    (NO)    		 aus sinkt
    aus ein keine Änderung
    ein aus undefiniert
    ein ein steigt
    14
    (NO)    		 aus 13
    (NG)    		 aus steigt
    aus ein undefiniert
    ein aus keine Änderung
    ein ein sinkt
    13
    (NG)    		 aus 13
    (NG)    		 aus keine Änderung
    aus ein sinkt
    ein aus steigt
    ein ein undefiniert
    14
    (NO)    		 aus 14
    (NO)    		 aus undefiniert
    aus ein steigt
    ein aus sinkt
    ein ein keine Änderung
    Tabelle 2
    Funktionscharakteristik der Ventile Verhalten des Ausgangsdrucks bei Ausfall
    Ventil 11 Ventil 12 elektrische Energie Druckgasversorgung
    NG NO sinkt sinkt
    NO NG steigt sinkt
    NG NG keine Änderung sinkt
    NO NO undefiniert sinkt
  • Und schließlich zeigt Tabelle 3 das funktionscharakteristikabhängige Fail-Safe-Verhalten eines weiteren erfindungsgemäßen Stellungsreglers, der in an sich bekannter Art an ein doppelt wirkendes Arbeitsglied angeschlossen ist und hierzu vier piezopneumatische Ventile A1, A2, B1, B2 der erläuterten Art aufweist. Die Ventile A1, B1 dienen zur Steuerung des Drucks in einer ersten, mit einem ersten Arbeitsausgang der Ventileinheit verbundenen Arbeitskammer des Arbeitsglieds, während die Ventile A2, B2 zur Steuerung des Drucks in einer zweiten, mit einem zweiten Arbeitsausgang der Ventileinheit verbundenen Arbeitskammer dienen. Tabelle 3
    Funktionscharakteristik der Ventile Verhalten des Ausgangsdrucks bei Ausfall
    A1 A2 B1 B2 elektrische Energie Druckgasversorgung
    Kammer 1 Kammer 2 Kammer 1 Kammer 2
    NG NG NO NO sinkt sinkt sinkt sinkt
    NO NO NG NG steigt steigt sinkt sinkt
    NG NG NG NG k. Änd. k. Änd. sinkt. sinkt.
    NO NO NO NO undef. undef. sinkt sinkt
    NG NO NO NG sinkt steigt sinkt sinkt
    NO NG NG NO steigt sinkt sinkt sinkt

Claims (14)

  1. Pneumatischer Stellungsregler (1) mit einem pneumatischen Arbeitsglied (3) und einer auf dieses wirkenden piezopneumatischen Ventileinheit (2), welche zwei miteinander pneumatisch gekoppelte piezopneumatische Ventile (11, 12) umfasst, wobei die Ventileinheit (2) einen Signaleingang (29) für ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang (4), einen an das pneumatische Arbeitsglied (3) angeschlossenen Arbeitsausgang (5) und einen Entlüftungsausgang (6) für das Arbeitsmedium aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ventile (11, 12) jeweils ein Ventilgehäuse (31, 32) und einen in einen Aufnahmehohlraum (33, 34) des betreffenden Ventilgehäuses (31,32) dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz (13, 14) mit einer durchströmten Schalteinheit (15, 16) aufweisen, wobei der Ventilsitz (40, 41) und der mit diesem zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs (17, 18) verstellbare Ventilkörper (21, 22) an der Schalteinheit (15, 16) des Ventileinsatzes (13, 14) vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse (31,32) angeordnete Strömungskanäle (35, 36, 37) dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum (33, 34) münden, dass bei identischem Ventilgehäuse (31, 32) durch Austausch des Ventileinsatzes (13, 14) unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils (11, 12) realisierbar sind.
  2. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ventileinsätze (13, 14) austauschbar in dem dem jeweiligen Ventil (11, 12) zugeordneten Aufnahmehohlraum (33, 34) eingesetzt sind.
  3. Stellungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verstellantrieb (17, 18) in Form einer piezopneumatischen Vorstufe (19, 20) ausgeführt ist.
  4. Stellungsregler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verstellantrieb (17, 18) jedes Ventils (11, 12) und die Schalteinheit (15, 16) des zugehörigen Ventileinsatzes (13, 14) eine gemeinsame, als ganzes austauschbare Baugruppe bilden.
  5. Stellungsregler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verstellantrieb (17, 18) jedes Ventils (11, 12) und die Schalteinheit (15, 16) des zugehörigen Ventileinsatzes (13, 14) getrennte Baugruppen bilden.
  6. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die die unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils (11, 12) bewirkenden verschiedenen Ventileinsätze (13, 14) sich nur im Umfang der jeweiligen Schalteinheit (15, 16) unterscheiden.
  7. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass bei den Ventileinsätzen (13, 14) jeweils der Verstellantrieb (17, 18) und die Schalteinheit (15, 16) gastechnisch durch ein mittels einer Membran (43) von der Schalteinheit (15, 16) abgetrenntes pneumatisches Volumen (44) entkoppelt sind.
  8. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass für die beiden Ventile (11, 12) ein gemeinsames Ventilgehäuse (30, 42) vorgesehen ist.
  9. Stellungsregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    dass das gemeinsame Ventilgehäuse (30, 42) einen Ventilgehäuseblock (30) und mindestens einen Gehäusedeckel (42) umfasst.
  10. Stellungsregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
    dass sich der Aufnahmehohlraum (33, 34) jeweils sowohl in den Ventilgehäuseblock (30) als auch in den Gehäusedeckel (42) hinein erstreckt.
  11. Stellungsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Verstellantrieb (17, 18) in dem in den Gehäusedeckel (42) hineinragenden Bereich des Aufnahmehohlraumes (33, 34) untergebracht ist.
  12. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Arbeitsausgang (5) mit einem die beiden Aufnahmehohlräume (33, 34) miteinander verbindenden Strömungskanal (36) kommuniziert.
  13. Piezopneumatische Ventileinheit (2) für einen pneumatischen Stellungsregler (1), umfassend zwei miteinander pneumatisch gekoppelte piezopneumatische Ventile (11, 12) , wobei die Ventileinheit (2) einen Signaleingang (29) für ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang (4), einen an ein pneumatisches Arbeitsglied des Stellungsreglers (1) anschließbaren Arbeitsausgang (5) und einen Entlüftungsausgang (6) für das Arbeitsmedium aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ventile (11, 12) jeweils ein Ventilgehäuse (31, 32) und einen in einen Aufnahmehohlraum (33, 34) des betreffenden Ventilgehäuses (31, 32) dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz (13, 14) mit einer durchströmten Schalteinheit (15, 16) aufweisen, wobei der Ventilsitz (40, 41) und der mit diesem zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs (17, 18) verstellbare Ventilkörper (21, 22) an der Schalteinheit (15, 16) des Ventileinsatzes (13, 14) vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse (31, 32) angeordnete Strömungskanäle (35, 36, 37) dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum (33, 34) münden, dass bei identischem Ventilgehäuse (31, 32) durch Austausch des Ventileinsatzes (13, 14) unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils (11, 12) realisierbar sind.
  14. Verfahren zur Einstellung bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens eines pneumatischen Stellungsreglers nach Anspruch 1 oder einer piezopneumatischen Ventileinheit nach Anspruch 13 gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    A) Vorgabe eines gewünschten Fail-Safe-Verhaltens für den pneumatischen Stellungsregler bzw. die piezopneumatische Ventileinheit entsprechend dem gewünschten Einsatzzweck des Stellungsreglers bzw. der Ventileinheit
    B) Auswahl zweier zur Erzielung des gewünschten Fail-Safe-Verhaltens geeigneter Ventileinsätze aus einer Mehrzahl an verschiedenen, funktionsspezifischen Ventileinsätzen
    C) Entweder Erstbestückung der Aufnahmehohlräume mit den gemäß Schritt B) ausgewählten Ventileinsätzen
    oder Austausch von bereits in den Aufnahmehohlräumen vorhandenen Ventileinsätzen durch die gemäß Schritt B) ausgewählten Ventileinsätze
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