FI59653B - Elpneumatisk eller -hydraulisk omvandlare eller laegedon - Google Patents

Description

- Γβΐ tn\ KUULUTUSJULKAISU cfl/rCi W (11) UTLÄGGNINCSSKRIFT ^ & O ^ (45) patent r.:ed-.ielat v / (51) K».ik.Vci.3 F 15 B 5/00 // G 05 D 16/00 SUOMI —FINLAND (21) Nt^ttlhtkemu» —P»t«n*n«dki*it 79^0^1 (22) HakrnntopUvi —AnaeMncadag 21.12.79 ' ' (23) AlkupUvi—GlMgfraodag 21.12.79 (41) Tullut Julkiseksi — MMt off«ntll|

Pat^och refisterstyrelsen * ^ Amek^^ToL29.05.81 (32)(33)(31) Fnrtuttjr utuellcwt—«ufird prtorfm (71) S-Installation, Pirkko-Liisa Seppänen komm.yhtiö, Pyssymiehenkatu 13, U063O Jyväskylä 63, Suomi-Finland(FI) (72) Alpo Seppänen, Jyväskylä, Suomi-Finland(Fl) (7*0 Forssen & Salomaa Oy (5^) Sähkö-pneumaattinen tai -hydraulinen muunnin tai asennoitin - Elpneu-matisk eller -hydraulisk omvandlare eller lägedon

Keksinnön kohteena on sähkö-pneumaattinen tai hydraulinen muunnin tai asennoitin, jossa käytetään pneumaattista tai hydraulista suutin-läppä-järjestelmää tai vastaavaa kuten suihkuputkea ja johon läppään tai vastaavaan vaikutetaan sähköisellä ohjaussignaalilla.

Ennestään tunnetut sähkö-pneumaattiset tai -hydrauliset muuntimet ja asennoittimet perustuvat yleensä magneettikentässä olevan ns. uppokelan käyttöön. Mainittuun kelaan kohdistuva voima on likimain suoraan verrannollinen mm. kelaan johdettuun vir-tasignaaliin. Tälle tunnetulle järjestelmälle on ominaista seuraavat epäkohdat:

Suurehko kestomagneettipiiri ja raskas liikkuva kelasysteemi riittävän suuren voiman aikaansaamiseksi.

Suurehkosta liikkuvasta massasta johtuva suhteellisen matala resonanssitaajuus sen vaatimine erikoisvaimennuksineen, joka vaimennus johtaa puolestaan vastenopeu-den pienenemiseen, ja se että takaisinkytkentäsilmukka on lyhyt sen ulottuessa vain mekaaniselle puolelle eikä sähköisen tulosignaalin tasolle, mikä aiheuttaa systeemiin epätarkkuutta.

Keksintöä sivuavan tekniikan tason osalta viitataan seuraavaan patenttikirjalli- 2 59653 suuteen: DE-AS 1 295 896, DE-OS 2 239 060 ja 2 553 515, CH-PS 597 642 ja US-PS 3 456 669.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada sellainen muunnin tai asennoi-tin, jossa edellä ilmenneet epäkohdat suurimmaksi osaksi vältetään. Tarkoituksena on lisäksi saada aikaan sellainen muunnin tai asennoitin, jossa voidaan käyttää rakenteellisesti samoja primäärielementtejä kuin ennestään tunnetuissa muuntimissa ja asennoittimissa. Esimerkkeinä tällaisista primäärielementeistä mainittakoon pneumaattinen suutin-läppä-laite.

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnölle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että mainittuna sähköisenä ohjaussignaalina käytetään tietyllä perustaajuudella värähtelevää pulssiketjua, jossa mainittua perus-taajuutta vastaavan perusjakson puitteissa muutetaan tulosignaaliin verrannollisesti pneumaattista tai hydraulista lähtöpainetta tai vastaavaa muuttavan pulssin kestoaikasuhdetta ja että mainittu läppä tai vastaava on järjestetty värähtele-mään ominaiskäyränsä olennaisesti lineaarisella alueella niin, että mainittu läppä tai vastaava ei toimiessaan koskaan täysin sulje suutinta eikä sitä täysin avaa, mikä on sopivimmin aikaansaatu valitsemalla mainittu perustaajuus riittävän korkeaksi.

Keksinnön mukaisella muuntimella tai asennoittimella saavutetaan seuraavat käytännössä tärkeät edut: - värähtelevä massa saadaan erittäin pieneksi, millä eliminoidaan tärinäarkuus ja myös vaimennustarve, jolloin vastenopeus kasvaa; - takaisinkytkentä (palaute), mikäli sitä tarvitaan, voidaan ulottaa sähköiselle, tulosignaaliin vertaavalle tasolle, jolloin toistuvuus ja lineaarisuus paranevat; - halutut epälineaarisuudet esim. venttiiliasennoittimien yhteydessä ovat helposti toteuttavissa elektroniikkayksiköllä; - toimisuunnan vaihto on hyvin yksinkertaista; - mekaanisten komponenttien valmistustarkkuus voi olla pienempi kuin tunnetuissa analogiaratkaisuissa, koska ohjaus on pulssimuotoista ja palautesilmukka, mikäli sitä tarvitaan, on tunnettuja oleellisesti laajempi; - värähtelevissä elementeissä on lepokitkan aiheuttama hystereesi (jälkivaikutus) minimaalista.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin sovellutusesimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintö ei ole rajoitettu.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen sähkö-pneumaattisen muuntimen erästä periaateratkaisua.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen pneumaattisen suutin-läppä-syst'eemin ominaiskäyrää kvalitatiivisesti.

3 59653

Kuviossa 3 on esitetty kolmea primäärielementin ohjaussignaalia.

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaista sähkö-pneumaattista muunninta.

Kuvio 5 esittää keksinnön mukaista sähkö-hydraulista toimisylinterin asennointinta.

Kuvio 6 esittää keksinnön mukaista sähkö-pneumaattista venttiilin asennoitinta.

Kuvion 1 mukaiseen sähkö-pneumaattiseen muuntimeen kuuluu suutin-läppä-laite, joka on olennaisilta osiltaan sinänsä tunnettu. Tähän laitteeseen kuuluu läppä 10, joka on joko joustavaa tai toisesta päästään laakeroitu kohdassa 11. Suutin-läppä-laitteeseen kuuluu putki 15, jossa on kuristin 16 sekä läpän 10 tuntumassa ulospur-kaussuutin 14. Suutinputkeen 15 on yhdistetty putkella 17 säädettävän paineen p säiliö 18, josta yhteen 19 kautta otetaan muuntimen lähtöpaine PQUt* Läpän 10 suuttimeen 14 nähden vastakkaiselle puolelle on sovitettu sähkömagneettinen kela 12, jonka napoihin 13 syötetään keksinnön mukaisesti tietyllä perustaajuudella f värähtelevä, amplitudiltaan I mahdollisimman vakio sähköinen pulssiketju I (τ ), jota on havainnollistettu kuviossa 3. Keksinnön mukaisesti perustaajuutta f vastaavan perusjakson Tq sisällä muutetaan tulosignaaliin 1^ verrannollisesti pneumaattista tai hydraulista painetta korottavan ja laskevan pulssin kestoaikasuhdetta (duty-cycle) kuvion 3 mukaisesti. Kuvion 3 ylimmän käyrän mukaisesti amplitudiltaan IQ:n suuruinen pulssi τ^, joka on esim. painetta korottava pulssi, on varsin lyhyt perusjakson kestoon Tq verrattuna ja täten kuviossa 1 lähtöpaine Pout varsin pieni. Keskimmäisen kuvion mukaisesti painetta korottava pulssi on n. 0,5 x T^ ja tällöin PQUt on dynaamisen alueensa keskivaiheilla. Kuvion 3 alimman käyrän mukaisesti painetta korottava pulssi on verraten pitkä kestoltaan ja täten lähtöpaine Pout on dynaamisen alueensa yläosalla. Edellä esitettyyn liittyen on korostettava, että pulssit τ voivat luonnollisesti olla myös painetta laskevia pulsseja.

Kuviossa 2 on havainnollistettu säädettävän paineen p suhdetta syöttöpaineeseen p

S

suutin-läppä-järjestelmän 10,14 suutinraon s suuruuden funktiona. AS kuvaa normaalia lineaarista toiminta-aluetta, jolla myös keksinnön mukaiset muuntimet tai asennoittimet sopivimmin toimivat. Täten suutin 14 ei mene kokonaan kiinni eikä avaudu niin auki, että tultaisiin ominaiskäyrän epälineaariselle alaosalle. Kuviossa 2 p/p * 1 edustaa luonnollisesti asentoa, jossa läppä 10 on täysin kiinni ja p/p 0 asentoa, jossa läppä 10 on täysin auki. Keksinnön mukaisessa muuntimessa

S

joutuu primäärielementti, siis esim. läppä-suutin-laite 10,14 esim. magneettisesti aikaansaatuun värähtelevään liikkeeseen. Primäärielementti ja sitä mahdollisesti seuraavan pneumaattisen tai hydraulisen vahvistinyksikön sähköisten ja mekaanisten 4 59653 suureiden, kuten resistanssin, induktanssin ja liikkuvien jousien ja massojen vuoksi primäärielementti ei ehdi värähdysliikkessään saavuttaa ääriasentojaan (kuvio 2). Mainittujen ääriasentojen saavuttaminen ei edes ole kuvion 2 perusteella tarkoituk-senmukaistakaan, koska tästä järjestelmän lineaarisuus ja vahvistuskerroin huono-nisivat. Lisäksi käytännössä on todettu, että keksinnön mukaisen muuntimen tai asennoittimen vastenopeus kasvaa tiettyyn rajaan perustaajuuden f kasvaessa.

Kuvioiden 4,5 ja 6 mukaisesti käytetään niissä esitetyissä säätöjärjestelmissä elektronista yksikköä 20, joka toimii yhdistettynä signaali/pulssimuuntimena sekä eroelimenä ( Σ ). Edellä mainituista seikoista johtuen elektronisesta yksiköstä 20 lähtevät pulssit pyrkivät integroitumaan yksikön 20 jälkeisissä mekaanisissa ja pneumaattisissa tai hydraulisissa piireissä. Tämä voidaan esittää matemaattisesti seuraavasti k - p-JL fi dt

To J o missä k - verrannollisuuskerroin, p pneumaattinen tai hydraulinen paine,

Tq - perusjakso, τ « paineen nosto- tai laskupulssin kestoaika, I = sähköinen, elektroniikkayksikÖstä lähtevä pulssisuure (esim. magneettipiirin vakiovirta).

Kuvion 4 mukaiseen sähkö-pneumaattiseen muuntimeen kuuluu pneumaattinen vahvistin-rele 21, johon tuodaan pneumaattinen syöttöpaine p . Edellä selostetulla tavalla toimivan suutin-läppä-järjestelmän 10,12,14 avulla lähtöpaine PQUt säädetään tulo-signaaliin I. verrannolliseksi. Järjestelmän takaisinkytkentälenkkiin kuuluu pneumaattinen palje 27 ja voiman sähköiseksi signaaliksi muuntava elin 37. Johtoa 26 pitkin syötetään takaisinkytkentäsignaali 1^ yksikköön 20. Erosignaali I^n - 1^ perusteella muodostetaan kuviossa 3 esitetty ohjaussignaali (säätösignaali) ϊ(τ).

Kuviossa 5 on esitetty eräs keksinnön mukainen sähkö-hydraulinen toimisylinterin asennoitin. Asennoittimeen kuuluu hydraulinen toimisylinteri 30, jossa on mäntä 31 ja sen varsi 32, jonka asento tai siirtymä dQut on lähtösignaalina. Järjestelmään kuuluu asennon sähköiseksi signaaliksi muuntava elin 28, josta johdon 26 kautta johdetaan takaisinkytkentäsignaali 1^ yksikköön 20. Kuvion 5 mukaiseen säätöjärjestelmään kuuluu keksinnön mukaisesti värähtelevä suihkuputki 10', jonka suutti-men 34 kautta johdetaan hydraulinestettä suukappaleessa 35 yhtyviin putkiin 33a 5 59653 ja 33b. Putket 33a ja 33b on yhdistetty sylinterin 30 männän 31 vastakkaisille puolille siten, että värähtelevän suihkuputken 10' suuttimen 34 asennon mukaisesti toimisylinterin 30 mäntä 31 siirtyy säätösignaalia Ι(τ) vastaavaan asentoon. Tähän säätöjärjestelmään kuuluu hydraulipumppu 29 imu-altaineen 36.

Kuviossa 6 on esitetty eräs keksinnön mukainen sähkö-pneumaattinen venttiilin asennoitin, johon kuuluu pneumaattinen vahvistinrele 21, jonka paine johdetaan säätöventtiilin 23 toimielimenä toimivalle kalvomoottorille 22. Asennoittimen takaisinkytkentäsilmukkaan kuuluu venttiilin 23 asennon sähköiseksi signaaliksi muuttava elin 24, joka johtoa 26 pitkin johtaa takai-sinkytkentäsignaalin 1^ yksikölle 20.

Järjestelmän lähtösuureena on esim. venttiilin 23 säätämä virtaus F .

out

Vaikka kuviossa 3 on säätösignaalina esitetty virtasignaali 1(τ) , niin on huomautettava että sähköisenä signaalina voidaan käyttää muutakin kuin virtaa. Sama pätee asetusarvosignaaliin tai tulosignaaliin 1^. Jos tulosignaa-lina käytetään virtasignaalia on sen alue esim. 4...20 mA:a.

Kuten edellä on todettu, voi perustaajuus f olla edullisesti verraten korkea. Käytännössä on eräissä sovellutuksissa sopivaksi taajuusalueeksi havaittu n. 30...40 Hz.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella.

Claims (5)

59653

1. Sähkö-pneumaattinen tai hydraulinen muunnin tai asennoitin, jossa käytetään pneumaattista tai hydraulista suutin-läppä-järjestelmää (10,11,14) tai vastaavaa kuten suihkuputkea (10',34,35) ja johon läppään (10) tai vastaavaan (10') vaikutetaan sähköisellä ohjaussignaalilla, tunnettu siitä, että mainittuna sähköisenä ohjaussignaalina käytetään tietyllä perustaajuudella (fQ) värähtelevää pulssiketjua (Ι(τ)), jossa mainittua perustaajuutta (f^) vastaavan perusjakson (Tq) puitteissa muutetaan tulosignaaliin (1^) verrannollisesti pneumaattista tai hydraulista lähtöpainetta (p tai vastaavaa (d t) muuttavan pulssin kestoaikasuhdetta (t/CT^-t)) ja että mainittu läppä (10) tai vastaava (10') on järjestetty värähtelemään ominaiskäyränsä (kuvio 2) olennaisesti lineaarisella alueella (AS) niin, että mainittu läppä (10) tai vastaava (10') ei toimiessaan koskaan täysin sulje suutinta (14) eikä sitä täysin avaa, mikä on sopivimmin aikaansaatu valitsemalla mainittu perustaajuus (fQ) riittävän korkeaksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen muunnin tai asennoitin, tunnettu siitä, että mainittu perustaajuus (fQ) on suurempi kuin n. 30 Hz.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen muunnin tai asennoitin, tunnettu siitä, että primäärielementtinä on sinänsä tunnettu pneumaattinen suutin-läppä-yhdistelmä (10,14), joka läppä (10) saatetaan värähtelemään mainitun pulssi-ketjun (Ι(τ)) avulla, joka pulssiketju (Ι(τ)) johdetaan läpän (10) tuntumaan sovitettuun sähkömagneettiseen kelaan (12) tai vastaavaan.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen muunnin tai asennoitin, tunnettu siitä, että primäärielementtinä on värähtelevä suihkuputki (10'), jonka suutin (34) väräh-telee hydraulisen toimisylinterin (30) männän (31) eri puolille johtavien putkien (33a,33b) suukappaleen (35) yhteydessä.

5. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen muunnin tai asennoitin, tunnettu siitä, että mainitun sähköisen pulssiketjun (Ι(τ)) perustaajuus (fQ) on alueella 30...40 Hz. 1 Patenttivaatimuksen 1,2,3,4 tai 5 mukainen muunnin tai asennoitin, tunnet-t u siitä, että muuntimen lähtösignaalista (p ^) tai asennoittimen toimielimen (22;30,31,32) asennon (d ) perusteella muodostetaan sähköinen takaisinkytkentä-signaali (1^), ja että mainittu takaisinkytkentäsignaali (1^) johdetaan elektroni ikkayksikköön (20), joka on sovitettu toimimaan yhdistettynä eroelimenä (Σ) ja muuntimena, joka muuttaa analogisen tulosignaalin (I^n) mainituksi pulssiket-juksi (I(T)). 7 59653