NL8102045A

NL8102045A - Lineair bestuurde stromingsregelinrichting.

Info

Publication number: NL8102045A
Application number: NL8102045A
Authority: NL
Original assignee: Mks Instr Inc
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1981-04-24
Publication date: 1981-12-16
Also published as: GB2076507A; NL187927C; GB2076507B; CH654087A5; US4327894A; DE3117218A1; DE3117218C2; JPS6046255B2; JPS5718431A; NL187927B

Description

' * * vo 1850

Lineair bestuurde stromingsregelinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op verbeteringen, waardoor de besturing van een fluidumstroming met behulp van een klep automatisch mechanisch lineair kan worden gemaakt, en volgens een bijzonder aspect op een bijzondere en verbeterde, door een servo-motor bestuurde 5 klepinrichting, waarbij een mechanisme met een eenvoudige en economische constructie als funktie van de cosinus een in hoofdzaak gelijkblijvende stelseloplossing handhaaft over zijn werkbereik.

Het ontworpen "open" oppervlak van een fluldumdoorgang, bestuurd door middel van een vleugelschoep of kogelplug en dergelijke, 10 bepaalt de "doorleiding" of hoeveelheid stroming onder andere stan-daardomstandigheden, en het is natuurlijk reeds onderkend, dat verbanden tussen hoekafwijkingen van de klepsteel en de betreffende fluidumstroming voor dergelijke kleppen niet lineair zijn. In bepaalde gevallen kan de vormgeving van de pluggen en/of klepzittingen het moge-15 lijk maken de dwarsdoorsneden van de opening ongeveer volgens een lineair verband met de hoeken, waarover de klepdelen worden gedraaid, veranderlijk te doen zijn, welk lineair verband het dus een bijbehorende elektrische besturingsinrichting mogelijk maakt een servomotor aan te drijven en het klepdeel te bedienen met een gewenste, in hoofdzaak 20 gelijkblijvende "overbrengingswerking" en oplossing. Totdat hiervoor een of ander middel wordt verschaft, kan het beoogde stromingsbesturings-stelsel onstabiel worden gemaakt, en neigt bijv. een bepaalde hoekin-stelling, wanneer de klep "open kiert" tot het hebben van aan aanzienlijk grotere uitwerking op de stroming dan met dezelfde mate van hoek-25 verstelling wanneer het klepdeel nagenoeg over een kwart is gedraaid naar ongeveer een volledig open stand. Wanneer de elektrische besturings-inrichting zelf dergelijke verschillen moet vereffenen, moet deze zijn uitgevoerd voor het vertonen van een passend veranderlijke versterking, of zou kunnen worden getracht met een of andere inrichting voor het 30 veranderen van de overbrengingsverhouding een dergelijke veranderlijke versterking mechanisch te benaderen.

Overeenkomstig bepaalde aspecten van de onderhavige leer, wordt onderkend, dat de dwarsdoorsnedeopeningen en de betreffende stroming door een vleugelklep en dergelijke een (1-cos e) funktie zijn van 35 de hoekstanden (e) van het klepdeel, en wordt een vereffenend cosinus-generatormechanisme ingevoerd tussen de aandrijfbron en de klepas voor --8ΤΤ2ΊΙΤ5 “ -2-

* V

het lineair maken van de verbanden tussen de hoekingangen en de daaruit voortvloeiende stromingsuitgangen.Een voorkeursuitvoeringsvorm van het onderhavige stelsel omvat een elektrische besturingsinrichting, die aanspreekt op een waargenomen toestand, zoals de stroming, druk of 5 temperatuur) en daarmee samenhangende besturingssignalen levert aan een elektromotor, die in aandrijvend verband staat tot de steel van een de stroming regelende vleugelklep via een lineair makend mechanisme, waarbij het draaien van de motor wordt gedwongen een non-lineariteit te vertonen, die dat van de non-lineaire klepwerking neutraliseert. Een 10 funktiegeneratormechanisme, dat goed is uit gerust voor het verschaffen van de vereiste overzetting van hoekbewegingen, omvat een verschuifbare heugel, die aandrijfbaar aangrijpt in een rondsel, dat vast is met de klepsteel, welke heugel door een nokkenorgaan wordt bediend voor het verschuiven over afstanden, die een (1-cos e) funktieverband hebben 15 met de 0-90° hoekafwijkingen van de uitgamgsas vaή de aandrijfmotor.

Een knikarm, die t ot aan een kwart draaiing wordt gedraaid voor de motoras en aan zijn buiteneinde een nokkenrol draagt, opgesloten in een nokkensleuf, die zich dwars op de heugel uitstrekt, ontwikkelt met voordeel hét gewenste funktieverband.

20 Dienovereenkomstig is het een van de doeleinden van de uit vinding een nieuwe en verbeterde stromingsbesturingsinrichting te verschaffen, waarbij een in hoofdzaak lineaire overbrengingswerking en oplossing tot stand worden gebracht door middel van de aandrijving van een niet-lineaire klep via een eenvoudig funktiegeneratormechanisme, 25 dat een neutraliserende non-lineariteit invoert.

Een verder doel is het verschaffen van bijzondere bedie-ningsorganen voor vleugelkleppen en dergelijke, waarbij heugel- en -rondsel en nokkenorgaaninrichtingen met een goedkope constructie cosinusgeneratormechanismen vormen, die hun besturing met voordeel 30 lineair maken.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: figuur 1 de samenwerkende onderdelen toont van het stelsel voor het ontwikkelen van een in hoofdzaak gelijkblijvende overbrengings-35 werking met betrekking tot de besturing van de fluidumstroming door een vleugelklep, samen met aanduidingen van hoeken en parameters, die helpen voor een juist begrip van de lineair makende gevolgen van dit stelsel, -04-0-2-0-4-5---- ^ * -3- fIguur 2 een ruimtelijk aanzicht is met uiteengenomen onderdelen van een ander lineair gemaakt, bestuurd klepstelsel, waarbij aan de klep een gestapeld pakket is gemonteerd van een cosinus mechanisme en een aandri j fstapmotor en_ 5 figuur 3 grafisch de verbanden weergeeft tussen de hoek- standen van de aandrijfmotor en de verhoudingen van de klepdoorleiding tot zijn snelheidsverandering voor deze standen in het stelsel van figuur 2.

Verwijzende naar de tekening en meer in het bijzonder naar 10 figuur 1 daarvan, is een uitvoeringsvorm van de inrichting voor het lineair gemaakt en bestuurd leiden van fluïdums door een vleugelschoep of klepdeel 4 weergegeven, welke inrichting een heugel 5 omvat, vast met een slede 6 en aandrijvend in aangrijping in een rondsell J, voorzien van een verbinding Ja, die synchroon draait met de klepsteel 15 of .-as ha voor het deel h. Op een in het algemeen gebruikelijke wijze legt een elektrische besturingsinrichting 8, die kan aanspreken op een waargenomen toestand, zoals de druk, stroming of temperatuur, die op een of andere wijze samenhangt met de stroming door de van een klep voorziene stromingsleiding 9, samenhangende elektrische besturings-20 signalen aan een servomotor 10 via een koppeling 11, en is in het gebruikelijke geval de motoruit gangs as 12 in beginsel direkt verbonden met het klepdeel U voor het zodanig plaatsen daarvan, dat bijbehorende veranderingen worden veroorzaakt in de fluldumstroming 13. De door-leiding T van een vleugelklep echter, die direkt evenredig is aan zijn 25 ontworpen open oppervlak, heeft geen lineair verband met de toekstand e^ van het klepdeel, en wanneer de as ha van dat klepdeel direkt wordt aangedreven door de servomotoras 12, wordt een bijbehorende non-lineari-teit ondervonden in de ondernomen besturing tenzij de versterkings-en voorloopeigenschappen van de besturingsinrichting op een of andere 30 passende wijze voor elke werkingstoestand zouden worden aangepast.

In verband tot de stelseloplossing bijv., zou deze niet lineariteit worden gestaafd door grote veranderingen in de stroming per incremen-tele hoekverandering in de stand van het klepdeel, wanneer deze slechts enigszins is geopend, en door slechts betrekkelijk kleine veranderingen 35 in de stroming per incrementele hoekverandering in de stand van hetzelfde klepdeel, wanneer dit vrijwel volledig is geopend.

- In datzelfde verband en weer verwijzende naar figuur 1 is

STTOTTS

-4- te zien, dat de geprojecteerde opening T een (1-cosinus e^) funktie is van de hoekopening van liet deel h overeenkomstig het volgende:

Bij het gelijk aan 1 stellen van B+T is 1-T=B, en - B = cos ©.» en

5 T

1-T = cos θ , en 1 1 T=1 - cos e.j.

Voor de tussen de motor en de klepsteel ka. opgestelde 10 mechanismen is met het voorgaande rekening gehouden, welke mechanismen de genoemde non-lineariteitsmoeilijkheden neutraliseren door middel van volledig mechanisme maatregelen. De eerste hiervan, in serie gekoppeld met de motor, bevat een mechanische verbinding, die een vereffenende, met de cosinus samenhangende werking invoert. Hiervoor doet 1? een krukarm 1*4·, die rechtsom draaibaar is over althans ongeveer een kwartdraaiing vanaf de afgebeélde stand met de aandrij fmotoras 12, zijn buiteneinde bewegen over een werkzame rechte afstand, die gelijk is aan zijn straal, op een niet-lineaire wijze, en is het einde van deze krukarm uit gerust met een rol lla, opgesloten in een opnemende dwars-20 nokkensleuf 6a in de slede 6, zodat hoekbewegingen van de krukarm worden overgezet in nuttig bruikbare niet lineair samenhangende rechte bewegingen van de slede. De as 15 draagt en geleidt de slede voor deze bewegingen in de richtingen 16, welke bewegingen op hun beurt worden overgezet in het draaien van het rondsel 7 en de klepsteel ka. door de 25 aan de slede gemonteerde randheugel 5· De onderbroken lijn 17 duidt de stand aan van de sleuf 6a die het verst verwijderd ligt van de met getrokken lijnen afgebeelde stand, en een soort-gelijke onderbroken lijn 18 duidt de samenhangende grens aan van de schuifbeweging van de slede 6. Een veer 19 is werkzaam voor het in aangrijping houden van de heugel-30 en nokelementen, hetgeen speling onderdrukt. De hoekverplaatsingen e.| van het rondsel 7» welke dezelfde zijn als die van het klepdeel 4, dat door het rondsel wordt bediend, worden gedwongen veranderlijk te zijn als een volgens de cosinus samenhangende funktie van de hoekverplaatsingen e2 van de servomotoras, figuur 1, overeenkomstig het vol-35 gende: wanneer A+C gelijk wordt gesteld aan 1, is 1-A=C=cos eg, en -- F' *ί -5- 1-C=cos e en 1-cos θ2=0=θ^k, -waarbij de constructie van het mechanisme zodanig is, dat k = 1 , -waardoor 5 90o (1-cos ©2) 90°= e^.

Wanneer deze vergelijking voor e^ wordt gesubstitueerd in de voomoemde "doorleidings "-vergelijking T=1-cos , is het resultaat: 10 ' T=l-cos /“(1-cos e2)90°_7s en wordt de veranderings snelheid van de doorleiding T met de motoras- hOÖt Bry.

dJ = sin /“90°( 1-cos θ2)_7 sin ©2 a«2

Samenhangende "berekeningen ontwikkelen dan gegevens in ^ tabelvorm voor deze uitdrukkingen, waarbij de motorashoek ©2 is, en de tabel is genormaliseerd op het van 0 tot 1 zijn van de 0 tot 100# stroming.

81 OTOT5 ‘' *· % -6- J· 00 00 nvomr-iONaoaO'-c- CM OO’-CMOJOOJ'Ot— *“ £«| φ ΛΛΛΛΛΛΛΛ#* e* Ό Ό oooooooooo

CM

LA -- O 4 01 ΙΛ <- CO oi

ooonoonO'-’-LA

CM CM OO O >" CM 4 \i 00 ON1- C_j φ ^λλλλλλλλλ rcJit) ooooooooo oo r“ 00 O CM IA _ _

Ο O 4 CM f* 01 CO

OOOOCMMOiaOnOnOO

OOOOO’-CMJ-t-’-

OOOOOOOOO

^OJ

ΦΝ, 01 0 o o

O ON

4« M CO CM

w ON t- ΙΛ

I ONONLACOCOt— t— CMON

-vJ ON0\0\t-(040^NO

On On On On ON CO t- LA CM

-£Q IkAn AA AnnM O

O ^-OOOOOOOOO

o

CM

Φ O-J-CMOCMOVOirNiA

CO C— O 4 NO NO COCO

α 0>·ΙΟ|ΛΝΟΗΟΟΝΟΝ er^ Q ΛΙΝΛ^ΛΟΛήΛ r™

m OOOOOOOOO

t— ' ON NO NO On _ LAonj-ao o\ oj t- on co OCMONOLACAOtAMO Ö OOOCMCOU-Nt— COONT- • |—{ 0 ι>λλλ«λλλλ ra oo ooooooo o o o o 4 LA CO O -4 ON o cnonj-T-r-cMiACM *>o O '»*****'·* "-4" "-40

Μ Ο >“ 1Λ CNI 1“ CM ON t- ON

-- οι n ia

^~CM

Φ ra o oo cn on

0 cniAO-tfooc— ot— VO το Ο -- Ό 00 CO IA O LA CM

1 OOO’-CMOOlAVOOO

—- ooooooooo '^i 0 0000.000000 CM ΟΙΑΟΟΟΟΟΟΟΟΟ φ f’Ol (0 4 IA no CO On 81 02 0 41 ~ -τ- τ

De waarden voor het laatste stel rekeningen, d.w.z.— , zijn dT^ in figuur 3 langs de X-as uitgezet in verband tot de motorashoek langs de Y-as, en te zien is, dat er een gewenste in hoofdzaak lineaire 5 overbrengingswerking aanwezig is, aangeduid door de kromme 20 over het grootste en kritischste deel van het werkbereik.

De afbeeldingen in figuur 2 zijn van details van een stelsel-uitvoering, die in vele opzichten gelijk is aan die van figuur 1, en overeenkomstige verbanden en onderdelen zijn derhalve aangeduid door 10 hetzelfde verwijzingscijfer met toevoeging van een accentteken. Hierbij bevat de startmotor 10’, die de lineair gemaakte aandrijving tot stand brengt, aangepaste overbrengingsreductieonderdelen, en zijn elektrische bedieningen door de besturingsinrichting 8' vinden plaats via impulscombinaties, die de motor alleen over nauwkeurig bepaalde hoek-15 afstanden doen voortbewegen of stappen. Direkt daaronder bevindt zich de krukarm 14’ in geleidingsverband met de slede 6’, en is in dit geval de heugel 5' onder en naar binnen ten opzichte van de rand van de slede aangebracht, waar de heugel kan aangrijpen in het rondsel 7', dat zich in hoofdzaak in lijn bevindt met de andere over een hoek be-20 weegbare assen van het samenstel.

Andere stromingsbesturingsinrichtingen, zoals plugkleppen met inbegrip van kogelkleppen kunnen soortgelijke niet-lineaire eigenschappen veroorzaken en kunnen voor wat betreft de overbrengingswer. -king en oplossing op soortgelijke wijze lineair worden gemaakt. In de 25 mate dat verschillende maten van besturing nodig kunnen zijn voor verschillende soorten kleppen of in stelsels, waarbij een sterkere of zwakkere aanspreking wenselijk kan zijn, verschaft de heugel- en -rond-seltrap een geschikt..-middel voor het veranderen van overbrengingsver-houdingen, die dergelijke resultaten tot stand brengen. Microschakelaars, 30 niet weergegeven, kunnen met voordeel worden gebruikt voor het onderbreken van de motorbekrachtiging en het zodoende voorkomen van het grendelen en voorbij schieten van de nokverbinding aan de einden van zijn beoogde bewegingsbaan. Ho ewel een de voorkeur verdienende rol-en nokuit voering zijn af geheeld en beschreven met betrekking tot het 35 cosinusfunktiegeneratormechanisme, kunnen equivalente krukarm en nokken- organen, die soortgelijke volgens de cosinus samenhangende bewegingen - geven, worden toegepast, indien dit voordelig is.

151 02 0 4 5' ~~

Claims

1. Lineair "bestuurde stromingsregelinri dating, gekenmerkt door klepmiddelen, die onder een hoek kunnen worden geplaatst in een stro-mingsdoorgang en de stroming daardoorheen besturen als een funktie van 5 de cosinus van de hoekstanden, verder door aandrij fmiddelen, die draai-bewegingen produceren voor het aandrijven van de hoekplaatsing van de klepmiddelen, en door een mechanisch cosinus funktiegeneratormechanisme, dat de draaibewegingen overzet in hoekplaatsingen, hetgeen de cosinus-funktie -afhankelijkheid van de klepmiddelen ten opzichte van hun be-10 sturing van de stroming over althans een deel van hun werkbereik in hoofdzaak neutraliseert.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het mechanisme een verbinding bevat, voorzien van een gedeelte, dat over een hoek beweegbaar is op een radiale afstand vanaf de hartlijn van de 15 draaibewegingen, waardoor het draaien van dit gedeelte met betrekking tot een bepaalde stand, een in hoofdzaak volgens een cosinusfunktie vooruitgaande en teruggaande beweging tot stand brengt van dit gedeelte ten opzichte van die stand.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het 20 mechanisme middelen bevat, die de vooruitgaande en teruggaande beweging van het gedeelte omzetten in een hoekplaatsingen van de klepmiddelen. U. Iïïrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het gedeelte van de verbinding is gevormd als onderdeel van een kruk, die 25 de draaibewegingen ondergaat, uitgeoefend door de aandrijfmiddelen, waarbij de omzetmiddelen een beweegbaar deel bevatten, dat is verbonden met de kruk via een verbinding, die althans een onderlinge hoekbewe-ging daartussen toelaat.

5. Inrichting volgens conclusie U, met het kenmerk, dat de ver-30 binding een nokkensleuf bevat in het beweegbare deel, welke nokkensleuf zich in hoofdzaak evenwijdig uitstrekt aan de vlakken van de draaibewegingen, bestreken door de kruk, die een arm heeft, die een nokvol-gerelement bevat, dat daaraan is bevestigd en zich bevindt in de nokkensleuf, waarbij het beweegbare deel verschuifbaar is in richtingen van 35 de vooruitgaande en teruggaande beweging en overeenkomstig een met de cosinus samenhangende werking van de draaibewegingen.

6. Inrichting volgens conclusie 5» met het kenmerk, dat de 8102041 " ' -9- verbinding verder een heugel bevat, die verschuifbaar is met het beweegbare deel, en een rondsel, dat wordt gedraaid door de heugel en de klepmiddelen draait.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de 5 nokkensleuf in hoofdzaak lineair is en is aangebracht om resp. in hoofdzaak dwars op en in hoofdzaak evenwijdig aan de krukarm te liggen wanneer deze zich nabij de einden van een kwartdraaibeweging bevindt.

8. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de klepmiddelen een klepdeel omvatten, dat zich bevindt in een stromings- 10 doorgang en over een hoek beweegbaar is met een klepsteel over in hoofdzaak een kwart draaiing vanuit een de stroming blokkerende stand naar een maximaal geopende stand voor het zodoende regelen van stroming door de doorgang als in hoofdzaak een (1-cos e)funktie van de hoekstand (e) van de klepsteel.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de . aandrijfmiddelen een elektrische servomotor omvatten, die de draaibe-wegingen produceert in aanspreking op daaraan gelegde elektrische be-sturingssignalen, waarbij het klepdeel bestaat uit een vleugelklepdeel. 81 0 2 0 4 5 _